章良明

（明喆集團有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的提升，對供水要求也越來越高?；赑LC的供水控制系統(tǒng)由可編程控制器、多種傳感器、變頻器構(gòu)成，是一種閉環(huán)變頻恒壓控制系統(tǒng)［1］。變頻恒壓控制系統(tǒng)對泵的電機變頻調(diào)速，依據(jù)壓力變化經(jīng)過控制器或者上位機的運算分析判斷給出控制信號，控制泵電機轉(zhuǎn)速，保持系統(tǒng)壓力恒定，安全可靠，節(jié)能高效。不論是運行的經(jīng)濟性還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有一定的優(yōu)勢［2］?；赑LC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高層建筑和工業(yè)生產(chǎn)中，能自動調(diào)節(jié)水壓，滿足人們的供水需求［3］。水是人類生命的源泉，是維持生命的重要物質(zhì)。如何解決供水系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的故障，快速恢復(fù)供水，保障供水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行，為人類提供賴以生存的水源尤其重要。自動化控制的恒壓供水系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，在實際應(yīng)用中會遇到各種各樣的電氣故障，甚至出現(xiàn)比較隱蔽的、硬件檢查和儀器檢測等常規(guī)手段難以解決的技術(shù)故障。STEP-7-MicroWin-SMART-V2.4是S7-200SMART工控軟件，有強大的程序編寫功能和豐富的用戶指令，運用工控軟件可以在線監(jiān)視程序的輸出狀態(tài)，也能修改程序并強制Q點接通，為判斷故障提供可靠的依據(jù)，方便準(zhǔn)確找到故障位置。本文介紹的是利用工控軟件在線監(jiān)控PLC輸出點的狀態(tài)，修改程序中的輸出點并強制接通，并用萬用表測量輸出點電壓的方法來判斷故障原因的實用技巧。

1 故障分析

某高校九棟低區(qū)恒壓供水系統(tǒng)不能正常運行，需要緊急排除故障。此供水系統(tǒng)是威樂（Wilo）公司制造，有4臺水泵，由西門子S7-200SMART（CPU SR30）和施耐德ATV212變頻器聯(lián)合控制，通過觸摸屏設(shè)定參數(shù)和監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，先查看觸摸屏的報警記錄，檢查設(shè)備的運行狀態(tài)，再目測故障現(xiàn)象，參考系統(tǒng)資料，借助儀器、儀表等工具進行系統(tǒng)檢測，有條件的可以運行S7-200SMART工控軟件［4］，輔助判斷故障原因。

1.1 觸摸屏界面檢查

查看觸摸屏報警信息，無故障記錄；觸摸屏主界面顯示系統(tǒng)在運行狀態(tài)；查看系統(tǒng)信息界面，4臺水泵設(shè)在自動狀態(tài)；這樣，PLC根據(jù)模擬量反饋信號和水泵實際運行時間，通過CPU運算，自主確定啟動水泵的數(shù)量；檢查參數(shù)設(shè)定：“一般設(shè)定”“高級設(shè)定”“保護功能”和“策略控制”4項內(nèi)容都正常。設(shè)定操作界面如圖1所示［5］。

圖1 觸摸屏操作界面

1.2 圖紙分析

要了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，必須從系統(tǒng)電氣原理圖入手，從圖紙上分析：系統(tǒng)有4臺水泵，分別命名為PUMP01、PUMP02、PUMP03、PUMP04，4臺水泵受S7-200SMART控制。（Q0.0，Q0.1）控制PUMP01的變頻或工頻啟／停；（Q0.2，Q0.3）控制PUMP02的變頻或工頻啟／停；（Q0.4，Q0.5）控制PUMP03的變頻或工頻啟／停；（Q0.6，Q0.7）控制PUMP04的變頻或工頻啟／停；Q1.0在CPU檢測到故障時，發(fā)出的故障信號，控制K12繼電器線圈吸合，因此，K12繼電器吸合，表示系統(tǒng)有故障；Q1.1控制K11繼電器線圈，K11吸合，輸出變頻器的正向運行指令，同時接通系統(tǒng)散熱風(fēng)扇的電源。［0，0M］是模擬量輸出通道，程序中對應(yīng)的模擬量輸出字是AQW16，此通道輸出4～20 mA的變頻器給定信號，［0+，0-］是模擬量輸入通道，在程序中對應(yīng)的模擬量輸入字是AIW16，此通道輸入4～20 mA的壓力傳感器信號，［1+，1-］是模擬量輸入通道，在程序中對應(yīng)的模擬量輸入字是AIW18，此通道輸入4～20 mA的變頻器頻率反饋信號，詳細的PLC接線如圖2所示，詳細的I／O分配如表1所示［6］。

表1 PLC的I／O分配表

圖2 PLC接線圖

1.3 變頻器分析

1.3.1 變頻器接線分析

施耐德ATV212變頻器有主接線回路和控制接線回路，下面主要介紹控制回路的接線：80和82號線是變頻器正向運行命令接通或斷開回路；5和6號線是變頻器頻率輸出信號，此信號接入模擬量模塊（EM AM03）的AIW18通道；888和65號線是變頻器故障輸出回路，控制K12繼電器的吸合或斷開；84和85號線是變頻器給定頻率的輸入回路，從模擬量模塊（EM AM03）的AQW16通道接入變頻器的給定頻率，如圖3所示［6］。

圖3 變頻器控制回路接線

1.3.2 變頻器參數(shù)的出廠設(shè)置

變頻器的主要設(shè)定參數(shù)需要參考變頻器手冊，比如電機的控制模式（PT），上限頻率（UL），頻率低限（LL），開關(guān)頻率水平（F300），自動斜坡（AU1），自動功能設(shè)置（AU4），命令模式（COND），頻率模式（FNOD），F(xiàn)：正向運行（F111），R：預(yù)置速度1（F112），RES：清除故障（F113），變頻器已準(zhǔn)備好運行（F110）等。一般來說，變頻器運行的3個必要條件是：運行許可、命令、給定，分別對應(yīng)圖4所示的F110、F112、FNOD三個參數(shù)［4］。

圖4 變頻器主要參數(shù)的出廠設(shè)置值

1.3.3 變頻器所有修改過的參數(shù)

變頻器參數(shù)修改以后，在Gru菜單中會有記錄，調(diào)取變頻器參數(shù)如表2所示，在Gru中，有兩個參數(shù)是值得注意的，F(xiàn)110為0，表示變頻器運行許可未啟用；F111為56，表示變頻器邏輯輸入端子F（簡稱LIF）接通時，變頻器的運行許可和正轉(zhuǎn)命令同時滿足條件，此時，由PLC模擬量模塊（EM AM03）提供給變頻器VIA通道4～20 mA的信號，變頻器就會運行。

表2 變頻器Gru參數(shù)表

1.3.4 變頻器快捷菜單

變頻器常用的主要參數(shù)放在快捷菜單，主要有自動加減速斜坡、加速時間1、減速時間1、頻率低限、最高頻率、電機熱保護、AO標(biāo)定、電機控制模式、電機額定頻率、電機額定電壓、電機額定電流、電機額定速度、電機電流限制、自整定變頻器等，詳細的設(shè)定方法如圖5所示［4］。

圖5 快捷菜單設(shè)定

1.4 PLC分析

1.4.1 PLC硬件分析

S7-200SMART（CPU SR30）的RUN指示燈為綠色，STOP和ERROR指示燈不亮，說明CPU SR30在正常RUN，將系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)時，Q1.1（DQb的1號端子）指示燈亮，測量DQb輸出1號端子無220 V電壓，初步判定PLC的輸出點損壞［7］。1.4.2 PLC程序分析當(dāng)懷疑PLC的輸出點損壞時，就需啟動筆記本電腦，運行STEP-7-MicroWin-SMART-V2.4工控軟件，打開程序文件，點擊程序狀態(tài)工具，就能在線監(jiān)控程序，使用前需設(shè)置如圖6所示的通信參數(shù)［8］。

圖6 通信參數(shù)設(shè)定

IP地址：192.168.2.55

子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0

默認(rèn)網(wǎng)關(guān)：198.168.2.1

筆記本電腦IP：192.168.2.199

如果用通過MPI（Multi Point Interface）接口連接CPU SR30，需要使用西門子MPI編程電纜，在RS485通信設(shè)置中設(shè)定通信地址為2、波特率為9 600即可。

運行STEP-7-MicroWin-SMART-V2.4工控軟件以后，點擊程序塊中的子程序SBR_19［SBR1］，再點擊程序狀態(tài)工具，可以監(jiān)控Q1.1（變頻器運行指令）的通／斷狀態(tài)，在接通的情況下，測量輸出點是否有電壓，可以判斷輸出點的好壞。當(dāng)輸出點損壞時，優(yōu)先考慮使用備用輸出點，具體做法是：在STEP-7-MicroWin-SMART軟件中點擊工具，將CPU置于STOP模式；再將SBR_19程序中的更改為，點擊下載工具，下載修改后的程序到CPU的內(nèi)存中；鼠標(biāo)選擇程序中的Q1.2，點擊工具，強制備用輸出點Q1.2接通，用萬用表測量對應(yīng)的輸出端子的電壓，如果電壓正常，證明可以使用，更改相應(yīng)的線路即可；用同樣的方法測試Q1.3的好壞，因備用點都測不出220 V輸出電壓，確認(rèn)DQb通道的公共點損壞，整個通道的輸出點都無法使用，［SBR_19］子程序如圖7所示［9］。

圖7 PLC子程序［SBR_19］

2 診斷與措施

2.1 故障診斷

通過觸摸屏、圖紙、變頻器和PLC分析，可以看出，此次故障比較隱蔽。觸摸屏沒有故障記錄；變頻器沒有故障顯示；PLC處在正常RUN模式，能發(fā)出變頻器運行指令，Q1.1輸出指示燈點亮。但是，在用萬用表測量時，此點的輸出電壓幾乎為0 V，正常電壓是220 V左右，因此，確定Q1.1輸出點損壞。在輸出點損壞時，優(yōu)先更換備用輸出點，更換時須修改PLC程序中對應(yīng)的輸出點，修改后的程序需在CPU停止模式下載到CPU的內(nèi)存中，點擊STEP-7-MicroWin-SMART軟件中的工具，重新將CPU置于RUN模式，調(diào)整輸出線路即可；如果遇到通道的公共點損壞，CPU模塊就無法再正常使用。此次檢查中發(fā)現(xiàn)CPU的QDb通道的所有輸出點都測不出220 V電壓，判斷為公共點損壞，只能更換新的CPU模塊。聯(lián)系廠家，經(jīng)過溝通，到貨時間是10 d左右。

2.2 應(yīng)急措施

10 d的采購時間比較長，如果系統(tǒng)不能供水的話，高校內(nèi)故障區(qū)域?qū)o水可用，這對學(xué)校的影響會很大，必須采取應(yīng)急措施，恢復(fù)學(xué)校的正常供水。變頻器不能運行，是因為無法接收啟動命令，只需短接K11繼電器上的80和82號線，手動接通變頻器正轉(zhuǎn)命令即可，接線如圖8所示；由于是手動接通變頻器的命令，因此變頻器的啟／停不受PLC控制，但是，PLC處在正常運行狀態(tài)，大部分功能是正常的，系統(tǒng)壓力信號能正常反饋到模擬量模塊的AIW16通道，CPU通過PID運算以后，將給定頻率通過AQW16傳送到變頻器的VIA通道；值得注意的是，當(dāng)系統(tǒng)用水量為零時，系統(tǒng)壓力會很快達到設(shè)定值，達到180 s的延時時間，系統(tǒng)自動切斷變頻器的主回路接觸器。面對這個問題，需將觸摸屏的高級設(shè)定參數(shù)［0流量允許］由啟用狀態(tài)修改為關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)就能穩(wěn)定的運行。另外，考慮到系統(tǒng)長期運行的安全風(fēng)險和節(jié)能的需求，在無人用水的夜間，手動切斷系統(tǒng)電源，停止供水。

圖8 K11繼電器的短接點

2.3 更換CPU

新的CPU SR30到貨后，需要即時更換CPU模塊，CPU固定在DIN導(dǎo)軌上，接線端子也是可以拆卸的，更換CPU非常方便，但也要注意安全風(fēng)險。安裝或拆卸設(shè)備前，請切斷PLC電源，如果在通電的情況下嘗試安裝或拆卸CPU或相關(guān)設(shè)備，則可能會觸電或?qū)е略O(shè)備錯誤運行；如果在安裝或拆卸過程中未切斷PLC和相關(guān)設(shè)備的所有電源，則可能導(dǎo)致人員死亡、重傷或設(shè)備損壞。因此，在安裝或拆卸CPU或相關(guān)設(shè)備之前，必須采取合適的安全預(yù)防措施并確保切斷該PLC的電源［7］。

3 結(jié)束語

基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)涉及程序邏輯控制和變頻調(diào)速等前沿科學(xué)技術(shù)。電氣圖紙介紹的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理；技術(shù)手冊介紹的是設(shè)備參數(shù)和使用方法。當(dāng)遇到比較隱蔽的故障時，硬件檢查和測量等常規(guī)的檢測手段和處理方法，不足以解決復(fù)雜的技術(shù)問題。比如，PLC的輸出點損壞，就需要借助于工控軟件，通過修改PLC運行程序和強制輸出等方法來測試和更換備用輸出點；尤其是PLC輸出的公共端損壞時，更需要借助于工控軟件進行判定和確認(rèn)。工控軟件強大的程序編寫功能和豐富的程序指令，能幫助提高判斷問題的可靠性和準(zhǔn)確性，為解決復(fù)雜的技術(shù)問題提供有效的技術(shù)支撐，值得借鑒和推廣。