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.飛利浦中國投資有限公司，上海 200233)

0 引言

長期以來，我國的水資源比較匱乏，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)壓力作為控制對象，通過調(diào)節(jié)供水壓力來調(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，具備高效節(jié)能等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計

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)采用三臺水泵，兩用一備的設(shè)計，用一臺變頻器控制三臺水泵運行，主要包括控制中心、監(jiān)控中心、水源區(qū)現(xiàn)場終端和通訊環(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，由西門子S7-300系列的PLC來控制［2］?？刂浦行牡墓δ苁窍蛩船F(xiàn)場監(jiān)測站發(fā)送讀/寫命令，并接收現(xiàn)場監(jiān)測站反饋回來的數(shù)據(jù)信息，完成對數(shù)據(jù)信息存儲、分析和處理等任務(wù)。

加壓站將水源區(qū)的水蓄積在一個水池內(nèi)，在蓄水池中用液位監(jiān)測器對水位進行監(jiān)測。水源區(qū)各水泵的啟/停以加壓站蓄水池的液位狀態(tài)為運行目標，通過從站的三臺水泵為用戶供水。同時，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。為達到高效供水和節(jié)約用水的目的，主站PLC通過變頻器來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而控制從站水泵的啟動運行。

1.2 水源現(xiàn)場

水源區(qū)控制終端主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換、信息存儲與控制、故障報警等功能。水源現(xiàn)場終端通過GPRS模塊與監(jiān)控中心和主站進行數(shù)據(jù)通信，以便工作人員及時觀察現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況，快速、準確地對水源區(qū)現(xiàn)場所反饋的數(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變成標準電壓信號送至控制中心PLC的模擬量輸入模塊SM331，經(jīng)過PLC的程序運算與給定的壓力參數(shù)進行比較，再經(jīng)過程序運算得到控制變頻器的具體參數(shù)，通過模擬量輸出模塊SM332將最終信號送給變頻器，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)利用變頻器來調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速［5］。當(dāng)用水量變大時，變頻器的頻率迅速上升到上限頻率，這時PLC輸出到變頻器的模擬量也是最大值，當(dāng)超過設(shè)定時間時，PLC就作加泵處理;反之，亦然。因此，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)水泵電機投入工作的臺數(shù)和控制一臺電機的轉(zhuǎn)速，可以保持供水管網(wǎng)的工作壓力恒值不變，從而達到變頻恒壓供水的目的。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 MM430供水型變頻器

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

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際運行的模擬信號;AINI1+、AINI1-端口接EM231模塊的A+、A-端口，目的是接收水源區(qū)遠程壓力信號;DINI、OV端口接EM222模塊的SA0、1L，用于接收變頻器啟/停信號;變頻器的其余幾個端口與CPU 224 PLC的KA1～KA3繼電器相連，用來與變頻器進行故障信號通信。

2.2 PLC控制回路

在設(shè)計PLC控制回路時，弱電與強電之間的隔離是首要考慮的問題。為維護PLC裝置，其輸出端口須經(jīng)過中間繼電器控制電機的運行，其端口不可以直接連接交流接觸器。設(shè)計在兩者之間引入中間繼電器，其目的是為了解決強電與弱電之間隔離的問題，起到保護系統(tǒng)、增強系統(tǒng)運行可靠性和延長系統(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)信號間的傳遞

控制系統(tǒng)各信號間的傳遞關(guān)系如圖4所示。

從圖4中可以看出，首先PLC的開關(guān)量Q0.0啟動系統(tǒng)，將水池管網(wǎng)壓力Uf送到變頻器，通過PLC與變頻器的相互作用依次啟動水源區(qū)三臺水泵，接著根據(jù)用水量和管網(wǎng)壓力來調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率，選擇水泵的啟/停。當(dāng)系統(tǒng)運行出錯時，故障報警燈閃爍，提示系統(tǒng)出錯。通過信號間的傳遞完成整個系統(tǒng)的運行與監(jiān)控過程。其中，(KA1，I0.0)為變頻器故障信號，(KA2，I0.1)為變頻器頻率降低信號，(KA2，I0.2)為變頻器頻率 =50 Hz信號。

圖3 PLC控制接線圖

圖4 控制系統(tǒng)各信號間的傳遞關(guān)系圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 恒壓控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的程序設(shè)計是采用模塊化的編程方法，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備及系統(tǒng)要求，設(shè)計了各種子程序功能模塊，通過模塊間的互相調(diào)用實現(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)對水源區(qū)的三臺水泵進行控制，通過調(diào)節(jié)壓力變送器與變頻器，最終實現(xiàn)了加壓站的恒壓供水。針對現(xiàn)場調(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 水泵切換與報警

控制系統(tǒng)在設(shè)計過程中主要考慮PLC程序運行的合理性、可行性等問題。圖6為控制系統(tǒng)的水泵切換與報警流程圖。

從流程圖中可以看出，控制系統(tǒng)的報警與水泵切換程序主要包括檢測報警程序和水泵電機切換程序兩部分。報警程序分為變頻器故障報警、蓄水池液位報警;水泵電機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GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通訊［6］。整個通訊回路中，各從站PLC都有其相對獨立的通訊地址，主站通過不同的地址來區(qū)分不同的從站PLC，各從站PLC接收主站PLC發(fā)送過來的數(shù)據(jù)指令。從站PLC首先接收由主站PLC發(fā)送過來的數(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;而主站則通過檢索并判斷接收到的地址信息，對相應(yīng)從站PLC的數(shù)據(jù)進行整理，修改，調(diào)試并儲存，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

本文以變頻器和PLC作為控制設(shè)備，實現(xiàn)了水源區(qū)各水泵電機的切換控制與報警處理。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)變頻器的運行頻率來滿足用水需求，保證了供水的穩(wěn)定性與可靠性，使系統(tǒng)更加靈活、智能，維護更加便利。

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

［2］崔堅.西門子S7可編程控制—STEP7編程指南［M］.北京:機械工業(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遠程通信在水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.水利水文自動化，2007，25(4):21-23.