閆莎莎

（太原工業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化系，山西 太原 030008）

0 引言

無(wú)論是在日常生活還是生產(chǎn)勞動(dòng)中，我們都離不開(kāi)水資源。隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，如何能夠?qū)崿F(xiàn)高效穩(wěn)定的供水是當(dāng)下我們要考慮的問(wèn)題，只有有效地分配水資源，才能滿(mǎn)足我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的要求。因此，現(xiàn)在人們將許多的現(xiàn)代控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)用到供水系統(tǒng)中，使得供水系統(tǒng)跟上時(shí)代的發(fā)展[1]。

傳統(tǒng)供水方式由于占地面積大、水質(zhì)容易污染、水壓不能保持恒定等逐漸被淘汰。恒壓供水系統(tǒng)隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展得到了更加深入的應(yīng)用。這種供水方式具有技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便等優(yōu)勢(shì)而廣泛被使用。本研究設(shè)計(jì)了基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用，避免了水資源的浪費(fèi)，有效地節(jié)省了資金。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案為用1臺(tái)變頻器控制4臺(tái)電機(jī)中的1臺(tái)，當(dāng)其中1臺(tái)受變頻器控制時(shí)，其他電機(jī)都以工頻運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際情況判斷變頻器控制哪一臺(tái)電機(jī)。這種方案在減少了變頻器臺(tái)數(shù)的同時(shí)，并沒(méi)有減少該系統(tǒng)應(yīng)有的功能，所以從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性考慮是可行的。根據(jù)基于PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水的原理，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括以下幾個(gè)部分：PLC、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、液位傳感器。

1.2 水泵的選型

水泵的選擇依據(jù)如下：①設(shè)備需要滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)流量、揚(yáng)程、溫度、壓力等參數(shù)條件[2]。②具有較廣的工作范圍，能持續(xù)工作在高效率區(qū)域。③滿(mǎn)足所安裝位置的工作條件。④水泵的尺寸、質(zhì)量和價(jià)格要具有較高的性?xún)r(jià)比。

水泵選擇型號(hào)為IS100-65-315型水泵。國(guó)標(biāo)單極單吸離心式清水泵；泵的吸入口直徑為100 mm；泵的出水口直徑為65 mm；泵的葉輪直徑為315 mm。

1.3 PLC的選型

可編程控制器選擇型號(hào)為S7-200-226PLC，變頻器等其他器件在該控制器上都有連接點(diǎn)。輸出的電流大小為400 mA。該CPU擁有24個(gè)輸入點(diǎn)、16個(gè)輸出點(diǎn)。此外，有一個(gè)EM222模塊上有8個(gè)數(shù)字量輸出，它屬于一種小型PLC，但有著特別強(qiáng)大的功能，可以代替許多硬件完成復(fù)雜工作，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①操作特別簡(jiǎn)單，容易操作。②安裝方便，適合在不同環(huán)境下安裝使用。③運(yùn)行安全可靠。④容易維修，當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，僅需更換故障模塊。⑤編程簡(jiǎn)單易懂，適合初學(xué)者使用。⑥通信能力強(qiáng)大。

模擬量選擇EM235模塊，它的輸入點(diǎn)有4個(gè)，輸出點(diǎn)有1個(gè)[3]。該模塊將1～5 V的信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，1 V對(duì)應(yīng)為3 200，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后為0～32 000，同時(shí)將模擬量輸出模塊也轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

1.4 變頻器的選型

變頻器型號(hào)為MICROMASTER 430，該變頻器是水泵類(lèi)負(fù)載專(zhuān)用的變頻器[4]；它的最低功率為7．5 kW，最高功率為250 kW，三相交流電為380～480 V；它擁有特別高的穩(wěn)定性和靈敏性，可以操控軟件實(shí)現(xiàn)多種功能：旁路功用、系統(tǒng)缺水監(jiān)測(cè)、手動(dòng)操作與自動(dòng)運(yùn)行的切換操作及水泵的多泵切換等。

它的停車(chē)制動(dòng)也有多種方式：OFF1、OFF2、OFF3、直流注入制動(dòng)、復(fù)合制動(dòng)。控制方式有線(xiàn)性V/F控制、FCC線(xiàn)性V/F控制、多點(diǎn)V/F控制、拋物線(xiàn)V/F控制等，本研究主要是控制水泵，所以選擇拋物線(xiàn)V/F控制。

在水泵的多泵切換中，一個(gè)變頻器控制多臺(tái)水泵的啟停。水泵是通過(guò)接觸器投入系統(tǒng)運(yùn)行，變頻器通過(guò)輸出繼電器控制接觸器，從而控制水泵的投入數(shù)量；該變頻器不僅可以控制數(shù)量，還可以控制單臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到恒壓的狀態(tài)。

1.5 壓力傳感器的選型

壓力傳感器選擇MIK-P300，它采用了強(qiáng)度比較高的一種芯體，是集成電路，可以將壓力傳感器接收到的信號(hào)快速轉(zhuǎn)化為0～5 V直流或0～10 V直流、4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可以直接與PLC連接，還可以遠(yuǎn)距離傳輸；其材質(zhì)為不銹鋼，可在腐蝕性環(huán)境中工作?？垢蓴_能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，而且結(jié)構(gòu)種類(lèi)多，可以在溫度為-40～85℃的環(huán)境下使用，具有極高的性?xún)r(jià)比。

1.6 電機(jī)的選型

因?yàn)殚L(zhǎng)期工作在潮濕的環(huán)境中，所以電機(jī)要有較高的耐腐蝕能力和較強(qiáng)的絕緣性。變頻電機(jī)必須選擇專(zhuān)用電機(jī)。電機(jī)選擇Y80-355小型三相變頻異步電機(jī)，該電機(jī)擁有安全可靠的制動(dòng)功能。

1.7 液位變送器的選型控制要求

液位變送器選擇的型號(hào)為MIK-P260，可以直接與PLC相連接。該變送器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，工作溫度為0～85℃、精度為±0．5%FS、溫漂為2%FS（0～60℃）、24 V直流供電、多級(jí)電氣保護(hù)；設(shè)置量程為0～7m。

1.8 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)備選型結(jié)果設(shè)計(jì)出硬件電路的連接。電源電壓為380 V交流電，采用三相五線(xiàn)制，這5條線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)A、B、C、N、PE，其中A、B、C是火線(xiàn)，N為零線(xiàn)、PE為地線(xiàn)。利用互感器LH1將電流表PA1接入線(xiàn)路中，用來(lái)測(cè)總的電流，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)電壓表測(cè)電路的電壓，當(dāng)系統(tǒng)電流電壓過(guò)大時(shí)，斷路器QF1斷開(kāi)，保障線(xiàn)路和各器件的安全。

工作原理：變頻器VF1通過(guò)斷路器QF11與接觸器KM1連接，QF11控制變頻器的通斷。變頻器與4臺(tái)電機(jī)的變頻器接口端相連接控制水泵的轉(zhuǎn)速。PLC的輸出為KA1，將其與變頻器相對(duì)應(yīng)的口連接以控制變頻器的啟動(dòng)與停止、頻率的大小。

第一臺(tái)電機(jī)的變頻接觸器為KM11，當(dāng)KM11接通時(shí)，第一臺(tái)電機(jī)此時(shí)為變頻運(yùn)行，如果此時(shí)PLC將得到的模擬信號(hào)傳送給變頻器，此時(shí)變頻器就會(huì)控制第一臺(tái)電機(jī)按一定頻率運(yùn)行，并且實(shí)時(shí)調(diào)控電機(jī)頻率；當(dāng)KM12接通時(shí)，第一臺(tái)電機(jī)為工頻運(yùn)行，即按照一定的頻率工作。同時(shí)，線(xiàn)路中還有QF12、工頻斷路器、FR12熱繼電器，保護(hù)電機(jī)不被過(guò)電流、過(guò)電壓燒壞。

M12是第二臺(tái)電機(jī)，工作原理與第一臺(tái)相同，不同的是當(dāng)?shù)谝慌_(tái)電機(jī)不足以滿(mǎn)足當(dāng)前壓力值時(shí)，第二臺(tái)電機(jī)的變頻接觸器接通，與變頻器連接。此時(shí)，第二臺(tái)電機(jī)以變頻開(kāi)始運(yùn)行，而第一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl運(yùn)行。

當(dāng)?shù)诙_(tái)電機(jī)也無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前壓力值時(shí)，M13變頻啟動(dòng)，KM31為水泵3電機(jī)的變頻接觸器，如果還無(wú)法滿(mǎn)足，則第三臺(tái)電機(jī)也轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行，然后變頻啟動(dòng)第四臺(tái)電機(jī)。

直流開(kāi)關(guān)電源G1，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為S7-200可編程控制器提供電源，為EM235模擬量輸入和輸出模塊提供24 V直流電源，壓力傳感器將輸出的4～20 mA的信號(hào)接入PLC的模擬量輸入模塊中。

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 控制要求和控制電路

在啟動(dòng)系統(tǒng)之前，先設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)（包括壓力值的上限和下限，液位測(cè)量值的上限和下限），控制電機(jī)的啟停。當(dāng)監(jiān)測(cè)到水位低于下限值時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)水閥，向水池中自動(dòng)供水；監(jiān)測(cè)到水池水位超過(guò)上限值時(shí)，停止補(bǔ)水；當(dāng)監(jiān)測(cè)到水池沒(méi)有水時(shí)，所有的電機(jī)都停止工作。

為了保證每臺(tái)電機(jī)都不會(huì)工作太長(zhǎng)時(shí)間，防止燒壞電機(jī)，需要每隔一段時(shí)間輪詢(xún)一次，輪詢(xún)到的那一臺(tái)電機(jī)為變頻工作，其他的電機(jī)為工頻工作。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，第一臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)，隨著水壓的上升，第一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來(lái)越快，當(dāng)達(dá)到一個(gè)上限值之后，第一臺(tái)電機(jī)變?yōu)楣ゎl運(yùn)行，此時(shí)第二臺(tái)電機(jī)連接變頻器，開(kāi)始變頻運(yùn)行[5]。然后第三臺(tái)、第四臺(tái)電機(jī)連接變頻器，直到滿(mǎn)足當(dāng)前水壓要求，電機(jī)停止加速；當(dāng)檢測(cè)到水壓下降，低于設(shè)定值時(shí)，最后一臺(tái)電機(jī)頻率減小，速度降低，然后依次減泵，如果壓力值還是大于設(shè)定值，則所有的電機(jī)退出工作。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到手動(dòng)模式時(shí)，由人工控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止，第一臺(tái)電機(jī)以工頻運(yùn)行。

當(dāng)某一臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，該臺(tái)電機(jī)的故障指示燈亮，并且自動(dòng)退出供水，其余電機(jī)仍正常工作，這時(shí)就可以檢修故障電機(jī)，檢修完后重新投入工作，不會(huì)影響其他電機(jī)的正常運(yùn)行。

2.2 PLC模塊接線(xiàn)圖

該P(yáng)LC的供電電源為24 V直流電，主電路連接220 V的交流電，經(jīng)過(guò)KM1與PLC相連接，EM235模塊負(fù)責(zé)模擬量的輸入和輸出，接壓力傳感器和液位變送器，另一塊與變頻器連接，用于控制變頻器的啟動(dòng)與停止。

3 系統(tǒng)運(yùn)行仿真

3.1 Winc Simulation軟件調(diào)試

使用S7-200仿真軟件Wincc Simulation進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，需要將編寫(xiě)好的程序進(jìn)行編譯，觀察是否有錯(cuò)誤。當(dāng)程序無(wú)誤時(shí)，將程序保存為awl文件并保存到文件夾中；打開(kāi)Wincc Simulation軟件，選擇與其對(duì)應(yīng)的CPU型號(hào)——CPU226，如果型號(hào)不對(duì)應(yīng)，程序無(wú)法運(yùn)行；將EM222數(shù)字量模塊和EM235模擬量模塊添加到右邊；可以將awl后綴的文件下裝到該程序中，選擇監(jiān)視功能，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)梯形圖窗口，在電機(jī)啟動(dòng)按鈕后，就可以在模擬量模塊中更改壓力的大小值，觀察電機(jī)的運(yùn)行情況。該仿真的優(yōu)點(diǎn)是可以直接觀察各個(gè)開(kāi)關(guān)期間電機(jī)的運(yùn)行情況，便于發(fā)現(xiàn)程序的錯(cuò)誤并進(jìn)行相應(yīng)的修改，但并不能直觀地將其與水廠(chǎng)供水連接在一起。

3.2 組態(tài)王軟件仿真

在組態(tài)王6．55軟件中啟動(dòng)工程瀏覽器，從中找到設(shè)備，選擇COM2進(jìn)入設(shè)備串口的設(shè)定，對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。波特率設(shè)置為9 600，通信超時(shí)9 000 ms，通信方式為RS232，參數(shù)設(shè)定完成后與PLC連接；選擇“西門(mén)子”P(pán)LC的型號(hào)為S7-200，然后將通信方式選擇為PPI[6]。通信接口圖如圖2所示。

圖2 通信接口圖

組態(tài)王有4種方式與PLC建立連接。其中，PPI通信為“西門(mén)子”S7-200專(zhuān)有的一個(gè)通信協(xié)議，其他型號(hào)的可編程控制器是沒(méi)有的。PPI通信又可以按照不同的方式連接，第一種為將個(gè)人計(jì)算機(jī)的串口和S7-200的通信口通過(guò)PPI電纜相連接起來(lái)，它采用的通信方式為串行通信方式；第二種為將個(gè)人計(jì)算機(jī)與可編程控制器通過(guò)一種特殊的通信卡相連，在編程軟件中對(duì)PPI參數(shù)默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)定。

第三種和第四種分別為MPI通信方式和自由通信方式，MPI通信方式類(lèi)似于PPI的第二種，只需要將個(gè)人計(jì)算機(jī)與MPI的通信卡相連接，就能連接上PLC；自由通信方式是S7-200所特有的一種通信方式，它是一種完全開(kāi)放的通信，不受各種協(xié)議的束縛，而且可以通過(guò)使用者自行設(shè)定協(xié)議。本研究選擇PPI通信，采用串行通信方式。

將PLC的地址與數(shù)據(jù)類(lèi)型一一對(duì)應(yīng)。添加與系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)變量，分別有4臺(tái)水泵、工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行、輪詢(xún)時(shí)間、壓力設(shè)定、故障反饋、水位設(shè)定等參數(shù)。變量類(lèi)型包括內(nèi)存實(shí)數(shù)型、內(nèi)存整數(shù)型、內(nèi)存離散變量、I/O離散、實(shí)數(shù)變量等。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控界面。通過(guò)程序多次調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)增大或減小壓力測(cè)定值觀察4臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)情況；每臺(tái)電機(jī)都有故障按鈕，可以進(jìn)行故障測(cè)試，同時(shí)有急停按鈕。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)點(diǎn)開(kāi)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、報(bào)警畫(huà)面，都會(huì)有相對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)和數(shù)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究主要介紹了恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及硬件電路設(shè)計(jì)、組態(tài)王軟件仿真等內(nèi)容。文章首先闡述了恒壓供水系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的重要性，接著指出了變頻恒壓供水的必然性，然后圍繞系統(tǒng)的主電路及控制電路的設(shè)計(jì)，提出基于PLC的變頻調(diào)速的控制策略，最后通過(guò)組態(tài)王軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證了此系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)不僅能保證供水的可靠性，還具有施工方便、維修簡(jiǎn)易、節(jié)能效果好的優(yōu)點(diǎn)。