【導(dǎo)讀】變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器等構(gòu)成。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方式。采用變頻器實現(xiàn)對三相。水泵電機的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。頻率，進而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

　　

【正文】 頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC 及擴展模塊外圍接線圖，如圖 所示： 29 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。AC。C P U 2 2 6 C N2RS485MV0M0地L+RAA+I0BB+RBADD+RDCC+RC偏移配置增益E M 2 3 5I 0 I 1 I 2Q 0 Q 1S A 1窗 口比 較 器液 位變 送 器水 位 上 下限 信 號S US L H LS B 74 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1＋ －壓 力 變 送 器 輸出 壓 力 信 號輸 入 變 頻 器圖 PLC 及擴展模塊外圍接線圖 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括 4 個數(shù)字量和 1 個模擬量。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC 的擴展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān) SA1 用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入 ；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報警信號；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個數(shù)字量輸出信號和 1 個模擬量輸出信號。 ~分別輸出三臺水泵電機的工頻 /變頻運行信號； 輸出水位超限報警信號； 輸出變頻器故障報警信號； 輸出白天模式運行信號； 輸出報警電鈴信號； 輸出變頻器復(fù)位控制信號； AQW0 輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。 圖 只是簡單的表明 PLC 及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的抗干擾措施； (3) 輸出方面的保護措施； (4) 系統(tǒng)的保護措施等。 30 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析 硬件連接確定之后 ，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站 軟件設(shè)計分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。判斷需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。 (2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范。 在本設(shè)計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過 3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體的操作是：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計中使用泵號加 1 的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng) 初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn) PID 控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%。 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 所示。 表 程序中使用的 PLC 元件及其功能 器件地址 功能 器件地址 功能 31 VD100 過程變量標準化值 T37 工頻泵增泵濾波時間控制 VD104 壓力給定值 T38 工頻泵減泵濾波時間控制 VD108 PID 計算值 故障結(jié)束脈沖信號 VD112 比例系數(shù) Kc 水泵變頻啟動脈沖 (增泵 ) VD116 采樣時間 Ts 水泵變頻啟動脈沖 (減泵 ) VD120 積分時間 Ti 倒泵變頻啟動脈沖 VD124 微分時間 Td 復(fù)位當前變頻泵運行脈沖 VD204 變頻運行頻率下限值 當前泵工頻運行啟動脈沖 VD208 變頻運行頻率上限值 新泵變頻啟動脈沖 VD250 PID 調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB300 變頻工作泵的泵號 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB301 工頻運行泵的總臺數(shù) 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD310 變頻運行時間存儲器 故障信號匯總 T33 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 水池水位越限邏輯 T34 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 T35 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 PLC程序設(shè)計 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7MicroWINV40 編程軟件開發(fā) 。該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表 (STL)語言、梯形圖 (LAD)語言、功能塊圖 (FWD)語言 [14]。語句表 (STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖 (LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工 程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。功能塊圖 (FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。 PLC 控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過 PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在 RUN 模式下主32 機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計 PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻 /工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量 (壓力、頻率 )比較計算程序 和報警程序等構(gòu)成。 (1) 系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對 變頻器變頻運行的上下限頻率、 PID 控制的各參數(shù) 進行初始化處理，賦予一定的初值 ，在初始化子程序的最后進行中斷連接。 系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天 /夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。 (2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序 當 PID 調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時 5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動脈沖信號。 (3) 水泵的軟啟動程序 增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。 當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過 3h 則自動倒泵變頻運行。 (4) 各水泵變頻運行控制邏輯程序 各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以 1水泵為例進行說明。當?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生 1泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位 1水泵變頻運行信號、 1泵未工作在工頻狀態(tài)時， 置 1， KM2 常開觸點閉合接通變頻器，使 1水泵變頻運行，同時 KM2 常閉觸點打開防止 KM1 線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖， KM2 的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。 (5) 各水泵工頻運行控制邏輯程序 水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵 號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以 1水泵為例進行說明。產(chǎn)生當前泵工頻33 運行啟動脈沖后，若當前 2泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于 0，或者當前 3泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于 1，則 置 1， KM1 線圈得電，使得 KM1 常開觸點閉合， 1水泵工頻運行，同時 KM1 常閉觸點打開防止 KM2 線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖， KM1 的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。 (6) 報警及故障處理程序 本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行 指示燈以及報警電鈴。當故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。 故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。 由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細的主程序梯形圖請參考附錄 C。 主程序流程圖如圖 所示。由于在圖 中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖 和圖 對其作了完整的補充。其中圖 是以 2泵為例的變頻運行控制流程圖，圖 是以 2泵為例的工頻運行控制流程圖。 3泵的運行控制情況與 2泵相似，在此就不再重復(fù)。 如圖 所示。本設(shè)計主程序大體包括以下幾部分： (1) 調(diào)用初始化子程序，設(shè)定各初始值； (2) 根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運行數(shù)； (3) 根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號； (4) 通過工頻泵數(shù)和變頻泵號對各泵運行情況進行控制； (5) 進行報警和故障處理。 34 開 始調(diào) 用 初 始 化子 程 序設(shè) 置 兩 種 模 式下 水 壓 給 定 值設(shè) 定 變 頻 泵 號變 頻 器 頻率 達 上 限定 時 5 m i n , 濾 波YN工 頻 泵 數(shù) 加 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動 脈 沖變 頻 器 頻率 達 下 限Y定 時 5 m i n , 濾 波N工 頻 泵 數(shù) 減 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動 脈 沖是 否 增 泵 或 倒 泵復(fù) 位 變 頻 器 ，變 頻 泵 號 加 1YN調(diào) 整 變 頻 泵號 ， 遇 4 變 1產(chǎn) 生 當 前 泵 工 頻運 行 ， 下 臺 泵 變頻 運 行 啟 動 脈 沖變 頻 泵 單 獨 運行 時 間 達 3 hYN產(chǎn) 生 倒 泵 信 號1 、 2 、 3 泵 變 頻運 行 控 制1 、 2 、 3 泵 工 頻運 行 控 制水 池 水 位 越 限YN水 位 越 限 報 警變 頻 器 故 障YN變 頻 器 故 障 報 警是 否 有 報 警YN變 頻 泵 號 置 1工 頻 泵 數(shù) 置 0產(chǎn) 生 故 障 結(jié) 束脈 沖程 序 結(jié) 束 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 35 是 否 有 變 頻啟 動 脈 沖 信 號YN變 頻 泵 號是 否 為 2YN系 統(tǒng) 是 否 無 故 障YN是 否 無 變 頻 器復(fù) 位 脈 沖YN2 泵 是 否工 頻 運 行NY2 泵 變 頻 運 行開 始結(jié) 束開 始是 否 有 工 頻運 行 啟 動 脈 沖YN幾 號 泵變 頻 運 行 ？工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 0工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 13 泵變 頻 運 行1 泵變 頻 運 行YNYN2 泵 是 否變 頻 運 行NY2 泵 工 頻 運 行結(jié) 束 圖 2泵變頻運行控制流程