蔣興加

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

基于FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

蔣興加

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

基于供水系統(tǒng)性能和工藝要求及智能建筑內(nèi)在需求，利用IPC、PLC和變頻器為核心構(gòu)建恒壓供水FCS，不僅確保有關(guān)設(shè)備、工作參數(shù)和工藝流程有機(jī)協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化和信息化，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保及延長(zhǎng)設(shè)備壽命。尤其通過(guò)引入以太網(wǎng)和FCS監(jiān)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮集中管理、集中操作和分散控制的優(yōu)勢(shì)，顯著提升系統(tǒng)安全性、可靠性、高效性、實(shí)用性，也為智能建筑的物業(yè)信息化管理奠定了良好基礎(chǔ)。

FCS；恒壓供水；變頻器

（一）引言

變頻器是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，以優(yōu)異的調(diào)速性能、高效率、高功率因數(shù)、寬廣的運(yùn)用范圍及顯著的節(jié)能效果，得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)總線是一種用于自動(dòng)化底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)，是一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；由現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)筑的 FCS系統(tǒng)因具有分散性和集中性、自治性和協(xié)調(diào)性、靈活性和擴(kuò)展性、先進(jìn)性和繼承性、可靠性和適應(yīng)性、友好性和新穎性等一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。

供水系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)行與人們的生活密切相關(guān)，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，從早期的水塔供水，進(jìn)入到高性能的變頻恒壓供水。盡管變頻恒壓供水具有節(jié)能、運(yùn)行工藝安全可靠、延長(zhǎng)設(shè)備壽命等優(yōu)點(diǎn)，但隨著智能建筑的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的變頻恒壓供水系統(tǒng)成為智能建筑弱電集成系統(tǒng)的信息“孤島”，制約了現(xiàn)代物業(yè)管理的信息化水平，為此，引入通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)基于工業(yè)以太網(wǎng)的恒壓供水系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（二）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在恒壓供水系統(tǒng)中，應(yīng)對(duì)供水系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備工作狀態(tài)和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警處理，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，同時(shí)需要把參數(shù)和狀態(tài)上傳到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)集中管理和控制。系統(tǒng)主要測(cè)試的參數(shù)有供水管道出口壓力、管道流量、蓄水池水位，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、控制、顯示、查詢和打印，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)管理，提高管理水平和工作效率。

根據(jù) FCS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)的原則、系統(tǒng)的工藝和性能的需求指導(dǎo)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)工作，為系統(tǒng)良好、可靠、高效地工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，下面主要從系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)工作原理和主要設(shè)備選型三方面進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)工作的高可靠性以及考慮系統(tǒng)調(diào)試的需要，所設(shè)計(jì)的 FCS系統(tǒng)采用雙方案方式，即操作站工作方案和傳統(tǒng)的 PLC工作方案，以操作站工作方案為主。當(dāng)操作站或網(wǎng)絡(luò)通訊故障時(shí)，PLC控制系統(tǒng)工作方案投入工作，為及時(shí)處理突發(fā)事件，以及為配合恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)試工作，在PLC的控制方案中，引入了恒壓供水工藝流程的完全手動(dòng)控制方式。

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻控制柜、壓力傳感器、水泵、供水管網(wǎng)等設(shè)備組成，變頻控制柜由變頻器、斷路器、接觸器和控制器等設(shè)備組成；FCS主要由操作站（工程師站）、控制站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)組成。變頻供水的變頻器、水泵機(jī)組、接觸器、傳感器、變送器視為FCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其控制器視為 FCS的控制站，操作站選用高性能的工控計(jì)算機(jī)。通訊網(wǎng)絡(luò)分為底層控制網(wǎng)、系統(tǒng)網(wǎng)和監(jiān)控網(wǎng)，控制網(wǎng)用于控制站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互聯(lián)，采用傳統(tǒng)的模擬信號(hào)；系統(tǒng)網(wǎng)用于控制站和操作站的互聯(lián)，采用 PROFIBUS-DP總線；監(jiān)控網(wǎng)采用以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能建筑信息共享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在所設(shè)計(jì)的 FCS系統(tǒng)中，一方面，確保恒壓供水系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行；另一方面，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理、圖形顯示和通訊功能，及時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作參數(shù)和工作狀態(tài)，也為智能建筑物業(yè)信息化管理提供了良好的平臺(tái)。

2.系統(tǒng)的工藝流程

系統(tǒng)的控制原理參見(jiàn)圖1。壓力傳感器將用戶管網(wǎng)水壓信號(hào)變成電信號(hào)（4mA-20mA）送給PLC的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端，經(jīng)過(guò)PLC程序數(shù)據(jù)處理后，執(zhí)行PLC中的PID指令，PID根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制量，經(jīng)PLC的D/A輸出模擬信號(hào)給變頻器的外部輸入控制端，通過(guò)變頻器輸出電源控制水泵電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率，調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量來(lái)調(diào)節(jié)供水管網(wǎng)的壓力。

當(dāng)用水量較少時(shí)，1#泵在變頻器控制下變頻運(yùn)行。如用水量加大，壓力傳感器在供水管網(wǎng)端測(cè)的水壓偏小，則變頻器輸出頻率上升，直到上限頻率50Hz，這時(shí)1#泵由變頻切換為工頻運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)2#泵進(jìn)行變頻起動(dòng)和調(diào)節(jié)。如果兩臺(tái)泵供水仍不能滿足供水要求，則系統(tǒng)將2#泵投入工頻進(jìn)行，將3#泵投入變頻運(yùn)行。

如用水量減少，變頻器的頻率會(huì)下降。當(dāng)變頻器頻率下降至下限值30Hz時(shí)，PLC將最先工頻運(yùn)行的水泵停掉，如果頻率下限值仍持續(xù)出現(xiàn)，PLC再停止第2臺(tái)工頻運(yùn)行的水泵。系統(tǒng)按先開(kāi)起的泵先切除的順序逐臺(tái)切換泵，以維持管網(wǎng)水壓恒定；同時(shí)實(shí)現(xiàn)“倒泵功能”，延長(zhǎng)水泵壽命。

FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)，首先利用操作站進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置和發(fā)布起動(dòng)命令；其次，通過(guò)執(zhí)行 PLC控制程序，按照一定規(guī)則改變水泵機(jī)組投放和切除，在變頻器的配合下，實(shí)現(xiàn)水泵的軟起動(dòng)；其三，變頻器在 PLC的控制下輸出所需頻率和電壓的交流電給變頻水泵機(jī)組；其四，操作站除實(shí)現(xiàn)人機(jī)監(jiān)控、報(bào)警和報(bào)表等功能外，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

3.主要設(shè)備選型

根據(jù) FCS恒壓供水系統(tǒng)的組成方案和工藝要求及所需的數(shù)字量、模擬量輸入輸出通道等情況進(jìn)行設(shè)備選型工作。操作站選用 IPC-610型工控機(jī)，為實(shí)現(xiàn) DP組態(tài)，配置具有PROFIBUS—DP接口的網(wǎng)卡 CP5611?？刂破鬟x用西門(mén)子的S7-200系列的CPU224PLC，具有14輸入/10輸出，并擴(kuò)充具有4個(gè)模擬量輸入和1個(gè)模擬量輸出通道的EM235模塊和具有PROFIBUS-DP接口的EM277模塊。MM440系列變頻器是西門(mén)子公司結(jié)合諸多先進(jìn)的生產(chǎn)制造工藝推出的高性能矢量變頻器，具有很寬的功率范圍、優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性、完整的保護(hù)功能、較高的可靠性、較小的體積、靈活的編程能力以及可選的 PROFIBUS-DP接口模塊，本系統(tǒng)選用西門(mén)子MM440變頻器。

（三）FCS軟件開(kāi)發(fā)

1.軟件開(kāi)發(fā)概況

FCS控制系統(tǒng)，應(yīng)確保實(shí)時(shí)性、可靠性、可維護(hù)性、過(guò)程量采集和輸出、人機(jī)交互、通信功能、信息處理和算法優(yōu)化等要求，為此在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)充分從系統(tǒng)的工藝性能、功能基本要求及特點(diǎn)出發(fā)，以滿足系統(tǒng)高性價(jià)比的目標(biāo)。

FCS軟件開(kāi)發(fā)分為控制站的 PLC程序開(kāi)發(fā)和操作站的監(jiān)控程序開(kāi)發(fā)兩部分內(nèi)容，由于組態(tài)軟件具有直接讀寫(xiě)PLC、圖形和動(dòng)畫(huà)直觀呈現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和數(shù)字運(yùn)算、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)、可將運(yùn)行狀況及各類數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)報(bào)表及報(bào)警處理、為用戶提供腳本語(yǔ)言編寫(xiě)特定模塊等強(qiáng)大功能，為了提高開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)工作可靠性，操作站選用西門(mén)子WINCC6.0組態(tài)軟件。WINCC是西門(mén)子公司在自動(dòng)化領(lǐng)域采用最先進(jìn)的技術(shù)與微軟公司共同開(kāi)發(fā)的工控軟件，是基于32位的Windows人機(jī)界面（HMI）監(jiān)控軟件，也是一個(gè)功能強(qiáng)大的全面開(kāi)放的監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC集成了圖形系統(tǒng)、報(bào)警信息系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用接口等功能，WINCC生成友好的人機(jī)對(duì)話接口，使操作員能夠清晰管理和優(yōu)化工作過(guò)程。S7-200PLC開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用 STEP7Micro/WIN 32V4.0編程軟件。

2.操作站軟件組態(tài)

利用操作站W(wǎng)INCC6.0組態(tài)軟件可對(duì)控制器及設(shè)備的工作參數(shù)和工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)視和控制，要求程序及畫(huà)面能夠直觀地顯示各個(gè)工藝參數(shù)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)；鑒于工業(yè)控制的特點(diǎn)，要能在畫(huà)面上直觀地看出工藝參數(shù)的趨勢(shì)走向，便于進(jìn)行分析、采取相應(yīng)的操作及控制策略；為便于管理者的監(jiān)管，要有歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，對(duì)主要的工藝參數(shù)進(jìn)行報(bào)警監(jiān)控，以便及時(shí)處理生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題；另外，還要能對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、打印，利用通信，為管理部門(mén)提供所需數(shù)據(jù)。因此，操作站實(shí)現(xiàn)主要功能包括：動(dòng)態(tài)流程圖、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、趨勢(shì)曲線畫(huà)面顯示功能，以及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、控制調(diào)節(jié)、報(bào)警、數(shù)據(jù)通訊、打印等功能。

WINCC6.0組態(tài)軟件的應(yīng)用組態(tài)主要步驟為：其一、將所有IO點(diǎn)的參數(shù)及標(biāo)識(shí)整理齊全，并以表格的形式保存，以便在組態(tài)軟件組態(tài)和PLC編程時(shí)使用。其二、明確所使用的IO設(shè)備的生產(chǎn)商、種類、型號(hào)，使用的通信接口類型，采用的通信協(xié)議，以便在定義IO設(shè)備時(shí)做出正確配置。其三、根據(jù)工藝過(guò)程繪制、設(shè)計(jì)畫(huà)面結(jié)構(gòu)和框架。其四、建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，組態(tài)各種變量參數(shù)，并定義數(shù)據(jù)連接。其五、制作實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)曲線以及報(bào)警顯示和報(bào)表功能。其六、對(duì)組態(tài)及系統(tǒng)進(jìn)行分段和總體調(diào)試，進(jìn)一步完善用戶需求和系統(tǒng)功能。

操作站的監(jiān)控畫(huà)面主要包括：FCS恒壓變頻供水系統(tǒng)主畫(huà)面、趨勢(shì)圖和報(bào)警畫(huà)面。

1）主畫(huà)面 系統(tǒng)主畫(huà)面是系統(tǒng)的總貌圖，操作員可觀看系統(tǒng)總體運(yùn)行情況和各種狀態(tài)，了解各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，在畫(huà)面上主要顯示設(shè)備的開(kāi)關(guān)量信號(hào)及主要參數(shù)，其主畫(huà)面如圖2所示。

2）趨勢(shì)圖 主要包括實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)，過(guò)程數(shù)據(jù)首先由組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)處理和保存為歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，然后由界面系統(tǒng)的趨勢(shì)曲線顯示和分析。利用實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖不僅可以監(jiān)測(cè)各變量的當(dāng)前值，還可以通過(guò)曲線變化情況來(lái)監(jiān)測(cè)變化的趨勢(shì)，從而可對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)處理。

3）報(bào)警畫(huà)面 報(bào)警是在控制過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，及時(shí)發(fā)出警告，指導(dǎo)操作人員根據(jù)報(bào)警情況作相應(yīng)處理，并通過(guò)事件記錄，掌握狀態(tài)變化和操作人員活動(dòng)情況。

圖2 FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控主畫(huà)面圖

3.PLC控制程序開(kāi)發(fā)

PLC的程序設(shè)計(jì)主要就是依據(jù)變頻恒壓供水工藝流程，確保供水管網(wǎng)壓力恒定，圍繞泵的啟與停、變頻與工頻的切換及變頻器工作頻率的調(diào)整。PLC的程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程，即將程序根據(jù)功能劃分為一定邏輯塊，邏輯塊以子程序和中斷程序方式組織，由主程序進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)。本系統(tǒng) PLC程序由主程序、初始化子程序、加/減水泵及變頻/工頻判斷切換子程序、故障報(bào)警子程序、定時(shí)采集和 PID控制中斷服務(wù)程序模塊組成，恒壓變頻供水系統(tǒng)PLC主程序如圖3所示。

圖3 PLC主程序流程圖

初始化子程序主要完成PID控制參數(shù)、變頻器上/下頻率、定時(shí)采集周期進(jìn)行設(shè)置，為節(jié)省掃描時(shí)間，在主程序中只需在上電時(shí)執(zhí)行一次。在加/減水泵及變頻/工頻切換子程序中，為避免切換過(guò)于頻繁，影響設(shè)備的性能和壽命，利用 PLC中的定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間邏輯控制；另外，在用水量最小的情況下，如一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 2小時(shí)，則應(yīng)切換到下一臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“倒泵功能”。故障檢測(cè)處理子程序主要利用泵的“應(yīng)有”工作狀態(tài)與其供水管網(wǎng)流量的內(nèi)在聯(lián)系，確定故障位置并進(jìn)行處理。中斷服務(wù)程序利用 PLC的定時(shí)器，一方面，實(shí)現(xiàn)周期性采樣管網(wǎng)的流量和壓力過(guò)程量；另一方面，執(zhí)行PLC的 PID處理，并輸出控制量，調(diào)整變頻器的輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)恒壓供水要求。

（四）結(jié)論

在供水系統(tǒng)中引入FCS變頻恒壓控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，使系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流小，避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了泵和閥門(mén)等的使用壽命；并且綜合了計(jì)算機(jī)、PLC和變頻器各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高度協(xié)調(diào)和有效控制，不僅提升供水的質(zhì)量和工作效率，也為智能建筑物業(yè)管理信息化奠定了良好的基礎(chǔ)。

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1008-1151(2011)05-0133-02

2011-01-28

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（編號(hào)：2010-KY12）

蔣興加（1969－），男，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系副教授。