宋喬喬，王軍麗，閆玉萍，張恒也，李杰

(1.蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇 蘇州 215011;2.飛利浦中國(guó)投資有限公司，上海 200233)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的水資源比較匱乏，城市供水、工業(yè)供水等存在很大的缺陷，由變頻調(diào)速技術(shù)和可編程控制技術(shù)參與控制的恒壓供水系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研及民用等領(lǐng)域［1］。該系統(tǒng)以蓄水池水位和供水管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，通過(guò)調(diào)節(jié)供水壓力來(lái)調(diào)節(jié)供水量，提高了供水的穩(wěn)定性，改善了生產(chǎn)效率和人們的生活水平，同時(shí)，具備高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、壓力變送器、流量傳感器、控制線路及水泵等組成。系統(tǒng)采用三臺(tái)水泵，兩用一備的設(shè)計(jì)，用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)水泵運(yùn)行，主要包括控制中心、監(jiān)控中心、水源區(qū)現(xiàn)場(chǎng)終端和通訊環(huán)節(jié)。如圖1所示為控制系統(tǒng)的原理圖。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

1.1 控制中心

控制中心設(shè)在主站，由西門(mén)子S7-300系列的PLC來(lái)控制［2］?？刂浦行牡墓δ苁窍蛩船F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站發(fā)送讀/寫(xiě)命令，并接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)信息，完成對(duì)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、分析和處理等任務(wù)。

加壓站將水源區(qū)的水蓄積在一個(gè)水池內(nèi)，在蓄水池中用液位監(jiān)測(cè)器對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水源區(qū)各水泵的啟/停以加壓站蓄水池的液位狀態(tài)為運(yùn)行目標(biāo)，通過(guò)從站的三臺(tái)水泵為用戶供水。同時(shí)，PLC控制中心根據(jù)流量傳感器和壓力變送器的變化可以看出用水情況。為達(dá)到高效供水和節(jié)約用水的目的，主站PLC通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制從站水泵的啟動(dòng)運(yùn)行。

1.2 水源現(xiàn)場(chǎng)

水源區(qū)控制終端主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)與控制、故障報(bào)警等功能。水源現(xiàn)場(chǎng)終端通過(guò)GPRS模塊與監(jiān)控中心和主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便工作人員及時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，快速、準(zhǔn)確地對(duì)水源區(qū)現(xiàn)場(chǎng)所反饋的數(shù)據(jù)信息作出相應(yīng)處理。

1.3 系統(tǒng)流程分析

系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)出水管網(wǎng)上的壓力變送器，將出水口的壓力信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)送至控制中心PLC的模擬量輸入模塊SM331，經(jīng)過(guò)PLC的程序運(yùn)算與給定的壓力參數(shù)進(jìn)行比較，再經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算得到控制變頻器的具體參數(shù)，通過(guò)模擬量輸出模塊SM332將最終信號(hào)送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)加壓站的供水量［3-4］。

在變頻器中設(shè)定上限頻率和下限頻率，為滿足用戶用水的需求，系統(tǒng)利用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速［5］。當(dāng)用水量變大時(shí)，變頻器的頻率迅速上升到上限頻率，這時(shí)PLC輸出到變頻器的模擬量也是最大值，當(dāng)超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)，PLC就作加泵處理;反之，亦然。因此，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)投入工作的臺(tái)數(shù)和控制一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以保持供水管網(wǎng)的工作壓力恒值不變，從而達(dá)到變頻恒壓供水的目的。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 MM430供水型變頻器

西門(mén)子MM430供水型變頻器是當(dāng)代新穎的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家(如風(fēng)機(jī)和水泵)，功率范圍為7.5 kW～250 kW，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、低速輕載的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 變頻器控制電路圖

如圖2所示為變頻器控制電路。分析可知，AOUT1、AOUT2端口接CPU224 PLC的EM231模塊B+、B-端口，作用是傳輸變頻器實(shí)際運(yùn)行的模擬信號(hào);AINI1+、AINI1-端口接EM231模塊的A+、A-端口，目的是接收水源區(qū)遠(yuǎn)程壓力信號(hào);DINI、OV端口接EM222模塊的SA0、1L，用于接收變頻器啟/停信號(hào);變頻器的其余幾個(gè)端口與CPU 224 PLC的KA1～KA3繼電器相連，用來(lái)與變頻器進(jìn)行故障信號(hào)通信。

2.2 PLC控制回路

在設(shè)計(jì)PLC控制回路時(shí)，弱電與強(qiáng)電之間的隔離是首要考慮的問(wèn)題。為維護(hù)PLC裝置，其輸出端口須經(jīng)過(guò)中間繼電器控制電機(jī)的運(yùn)行，其端口不可以直接連接交流接觸器。設(shè)計(jì)在兩者之間引入中間繼電器，其目的是為了解決強(qiáng)電與弱電之間隔離的問(wèn)題，起到保護(hù)系統(tǒng)、增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命的目的。綜上所述，PLC接線如圖3所示。

2.3 控制系統(tǒng)信號(hào)間的傳遞

控制系統(tǒng)各信號(hào)間的傳遞關(guān)系如圖4所示。

從圖4中可以看出，首先PLC的開(kāi)關(guān)量Q0.0啟動(dòng)系統(tǒng)，將水池管網(wǎng)壓力Uf送到變頻器，通過(guò)PLC與變頻器的相互作用依次啟動(dòng)水源區(qū)三臺(tái)水泵，接著根據(jù)用水量和管網(wǎng)壓力來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率，選擇水泵的啟/停。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，故障報(bào)警燈閃爍，提示系統(tǒng)出錯(cuò)。通過(guò)信號(hào)間的傳遞完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行與監(jiān)控過(guò)程。其中，(KA1，I0.0)為變頻器故障信號(hào)，(KA2，I0.1)為變頻器頻率降低信號(hào)，(KA2，I0.2)為變頻器頻率 =50 Hz信號(hào)。

圖3 PLC控制接線圖

圖4 控制系統(tǒng)各信號(hào)間的傳遞關(guān)系圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 恒壓控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是采用模塊化的編程方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了各種子程序功能模塊，通過(guò)模塊間的互相調(diào)用實(shí)現(xiàn)控制要求。恒壓控制的流程如圖5所示。

圖5 恒壓控制的流程圖

系統(tǒng)對(duì)水源區(qū)的三臺(tái)水泵進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力變送器與變頻器，最終實(shí)現(xiàn)了加壓站的恒壓供水。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥及變頻器等的應(yīng)用，子程序模塊可直接調(diào)用系統(tǒng)功能模塊。

3.2 水泵切換與報(bào)警

控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮PLC程序運(yùn)行的合理性、可行性等問(wèn)題。圖6為控制系統(tǒng)的水泵切換與報(bào)警流程圖。

從流程圖中可以看出，控制系統(tǒng)的報(bào)警與水泵切換程序主要包括檢測(cè)報(bào)警程序和水泵電機(jī)切換程序兩部分。報(bào)警程序分為變頻器故障報(bào)警、蓄水池液位報(bào)警;水泵電機(jī)切換程序分為加泵程序和減泵程序。

3.3 從站PLC與主站PLC的通訊

主站PLC與從站PLC之間的通訊程序主要包括接收數(shù)據(jù)指令和發(fā)送數(shù)據(jù)指令兩部分，各從站PLC與控制中心PLC通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊［6］。整個(gè)通訊回路中，各從站PLC都有其相對(duì)獨(dú)立的通訊地址，主站通過(guò)不同的地址來(lái)區(qū)分不同的從站PLC，各從站PLC接收主站PLC發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)指令。從站PLC首先接收由主站PLC發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)指令，并加以執(zhí)行，再將正確的數(shù)據(jù)指令反送出去;而主站則通過(guò)檢索并判斷接收到的地址信息，對(duì)相應(yīng)從站PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，修改，調(diào)試并儲(chǔ)存，最后主站PLC再將修改后的正確數(shù)據(jù)發(fā)送給從站PLC，流程如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)水泵切換與報(bào)警流程圖

圖7 從站PLC接收主站PLC狀態(tài)數(shù)據(jù)的流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以變頻器和PLC作為控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了水源區(qū)各水泵電機(jī)的切換控制與報(bào)警處理。該系統(tǒng)根據(jù)流量傳感器和壓力變送器的變化，調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率來(lái)滿足用水需求，保證了供水的穩(wěn)定性與可靠性，使系統(tǒng)更加靈活、智能，維護(hù)更加便利。

［1］宋序彤.我國(guó)城市供水發(fā)展有關(guān)問(wèn)題分析［J］.城鎮(zhèn)供水，2001，21(2):22-25.

［2］崔堅(jiān).西門(mén)子S7可編程控制—STEP7編程指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］壓力傳感器變送器選型樣本［R］.寶雞:寶雞傳感器研究所，1995.

［4］郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2004.

［5］金傳偉，毛宗源.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2000，26(9):38-39.

［6］孫永紅.基于GPRS的PLC遠(yuǎn)程通信在水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.水利水文自動(dòng)化，2007，25(4):21-23.