PLC與WinCC在遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
PLC與WinCC flexible在遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
0 引言
隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人們對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越多的要求。在居民生活小區(qū),傳統(tǒng)供水方式占地面積大,水質(zhì)易污染,基建投資多,而最主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定,導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù),它以其獨(dú)特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域,特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要,對恒壓供水壓力有著嚴(yán)格的要求,因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運(yùn)行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高。
可編程序控制器(簡稱PLC)由于具有功能強(qiáng)、可編程、智能化等特點(diǎn)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中最主要的自動化裝置之一,它是當(dāng)前電氣程控技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)手段。本工程采用德國西門子S7200與軟件WinCC flexible相結(jié)合,再連接ABB ACS510變頻器構(gòu)成全自動恒壓供水控制系統(tǒng),既利用了變頻器調(diào)速技術(shù)優(yōu)良的控制性能,又利用了WinCC flexible監(jiān)控軟件豐富的組態(tài)功能,操作方便,界面友好,與PLC通訊快捷。
1 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)工藝流程概述
變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水,并且把電機(jī)和水泵連成一體,通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的,如圖1-1所示。因此,供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。
水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入PLC控制器,利用S7200軟件內(nèi)的PID編程導(dǎo)向,與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較,并將PID運(yùn)算將結(jié)果通過PLC程序傳送到變頻器,以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率,從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速[2]。西門子軟件內(nèi)部自帶的PID指令采用了優(yōu)化算法,所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑和穩(wěn)定。同時(shí),為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值,可對該信號設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù),同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算,使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡單、方便。
本系統(tǒng)由變頻器、PLC和兩臺水泵構(gòu)成。利用了PLC程序控制的PID等相關(guān)功能,與變頻器配合實(shí)施變頻一拖二自動恒壓力供水,具有自動/手動切換功能。變頻故障時(shí),可切換到手動控制水泵運(yùn)行。
控制過程:水路管網(wǎng)壓力低時(shí),變頻器啟動1#泵,至全速運(yùn)行一段時(shí)間后,由遠(yuǎn)傳壓力表來的壓力信號仍未到達(dá)設(shè)定值時(shí),PLC控制1#泵由變頻切換到工頻滿頻運(yùn)行,然后變頻啟動2#泵運(yùn)行,據(jù)管網(wǎng)壓力情況隨機(jī)調(diào)整2#泵的轉(zhuǎn)速,來達(dá)到恒壓供水的目的。當(dāng)用水量變小,管網(wǎng)壓力變高時(shí),2#泵降為零速時(shí),管網(wǎng)壓力仍高,則PLC控制停掉1#工頻泵,由2#泵實(shí)施恒壓供水。至管網(wǎng)壓力又低時(shí),將2#泵由變頻切為工頻運(yùn)行,變頻器啟動1#泵,調(diào)整1#泵的轉(zhuǎn)速,維持恒壓供水,如此循環(huán)。
2 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)硬件組成:
遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)采用壓力傳感器、PLC和ABB ACS510變頻器作為中心控制裝置以實(shí)現(xiàn)所需功能。
信號來源:輸配電設(shè)備網(wǎng)安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器,用于檢測管網(wǎng)的水壓,將壓力轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號,提供給可編程控制器。ABB ACS510變頻器是水泵電機(jī)的控制設(shè)備,能按照水壓恒定需要將0~50 Hz的頻率信號供給水泵電機(jī),調(diào)整其轉(zhuǎn)速,ABB ACS510變頻器功能強(qiáng)大,即預(yù)先編置好的參數(shù)集,將使用過程中所需設(shè)定的參數(shù)數(shù)量減小到最小,參數(shù)的缺省值依應(yīng)用宏的選擇而不同。系統(tǒng)采用默認(rèn)的宏進(jìn)行邏輯控制??删幊谈鶕?jù)恒壓時(shí)讀取的變頻器當(dāng)前頻率值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號,利用PID控制宏自動調(diào)節(jié),改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。在兩個(gè)泵的各個(gè)主回路中有智能電量變送器,用于測量主回路中每一路的電流和電壓,給PLC模擬量輸入信號,以確保兩臺水泵的安全可靠運(yùn)行。
恒壓供水主電路圖如圖1-2所示,接觸器KM2、KM4分別接到變頻的輸出端,分別連接1#水泵和2#水泵。而接觸器KM1、KM3將工頻電源分別接到兩臺水泵。變頻器可以對任何一臺水泵啟動和恒壓供水控制??諝忾_關(guān)(QF)是當(dāng)電動機(jī)過載時(shí)自動將電動機(jī)從電網(wǎng)中斷開熱繼電器(FR)是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路,它在電路中用作電動機(jī)的過載保護(hù)。
在切換工頻的電機(jī),停車方式設(shè)定為自由停車[3],切忌不能軟停車。接觸器KM2與KM4斷開變頻器輸出與電動機(jī)的連接,再用接觸器KM1與KM3接通工頻與電動機(jī),用控制變頻的接觸器的常閉觸點(diǎn)去接通控制工頻的接觸器電磁線圈,即控制變頻的接觸器和控制工頻的接觸器一定要互鎖。這樣就保證了變頻器的輸出端與工頻不可能短接,避免切換時(shí)造成炸機(jī)、跳閘等故障。
對變頻器的啟/??刂?,是將輸出端連接的交流接觸器是先接通,然后再給出變頻器運(yùn)
轉(zhuǎn)命令;變頻切換工頻時(shí),變頻器需停機(jī)時(shí),是先給出變頻器停止命令,變頻器停掉后,再斷開接觸器的。其中有0.5s的時(shí)間間隙,較好地避免了對變頻器的沖擊。
3 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)
3.1自動運(yùn)行模式:
西門子系列PLC編程采用STEP7軟件,它是西門子PLC的視窗軟件支持工具,提供完整的編程環(huán)境,可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試,并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)程序包括主程序和電機(jī)切換程序,PID子程序。主程序主要作用是調(diào)用其他子程序;電機(jī)切換程序根據(jù)PID的運(yùn)算輸出來決定兩個(gè)泵的運(yùn)行狀態(tài)。PID子程序主要是對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,以達(dá)到安全穩(wěn)定的控制精度。數(shù)據(jù)采集程序用于將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集到PLC中,用于PID控制以及在觸摸屏中顯示,便于現(xiàn)場操作。
1.主程序:主程序的作用是初始化子程序,調(diào)度子程序,降低程序復(fù)雜度,使程序的設(shè)計(jì),調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化。在主程序中,設(shè)置兩個(gè)變頻器頻率上下限到達(dá)濾波時(shí)間繼電器,用于穩(wěn)定系統(tǒng)。
2.PID子程序:Micro/WIN提供了PID Wizard(PID指令向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕厣梢粋€(gè)閉環(huán)控制過程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運(yùn)算的自動編程,用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID控制任務(wù)。PID的運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲區(qū)是自動分配的,向?qū)⒆詣訛槠鋮?shù)表分配符號名,用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號名,否則將導(dǎo)致PID控制不執(zhí)行[4]。PID向?qū)е袛嘤玫氖荢MB34定時(shí)中斷,在用戶使用了PID向?qū)Ш?,注意在其它編程時(shí)不要再用此中斷,也不要向SMB34中寫入新的數(shù)值,否則PID將停止工作。為保證PID子程序的正常運(yùn)行,必須用SM0.0來使能PID子程序,SM0.0后不能串聯(lián)任何其他條件,而且也不能有越過它的跳轉(zhuǎn);如果在子程序中調(diào)用 PID子程序,則調(diào)用它的子程序也必須僅使用SM0.0調(diào)用。
3.電機(jī)切換程序:包括加電機(jī)程序和減電機(jī)程序,在控制系統(tǒng)作用下,變頻器開始運(yùn)行,啟動第一臺水泵M1,當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值,轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值,這期間M1在PLC和變頻器的控制下處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量繼續(xù)增加,變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí),水壓仍低于設(shè)定值,由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行;同時(shí),使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行,系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié),直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。
降壓控制:當(dāng)用水量下降水壓升高,變頻器輸出頻率降至PLC程序中設(shè)定的變頻器下限頻率時(shí),水壓仍高于設(shè)定值[5],系統(tǒng)將工頻運(yùn)行的一臺水泵關(guān)掉,繼續(xù)變頻運(yùn)行另一臺水泵,使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。
在電機(jī)切換程序中,從變頻器輸出端切斷電機(jī)的接觸器,其控制啟動按鈕與變頻器啟動按鈕聯(lián)鎖,即啟動接觸器接通電機(jī)后,變頻方可啟動;電動機(jī)接入工頻的接觸器,其線圈控制回路由變頻器輸出端切斷電機(jī)的接觸器的常閉觸點(diǎn)控制,保證變頻器輸出端切斷電機(jī)后接入工頻;
用plc控制切換過程時(shí),變頻自由停車到切除電機(jī)要有0.1秒的延時(shí),由電機(jī)從變頻切除到工頻接通要有0.2-0.4秒的延時(shí),整個(gè)過程最多0.5秒完成;
工頻轉(zhuǎn)變頻的操作,首先切斷工頻與電機(jī)的連接,然后接通變頻輸出與電機(jī)的連接。變頻轉(zhuǎn)工頻的操作,首先要斷開變頻器的輸出,為保證轉(zhuǎn)換瞬間不跳閘,適當(dāng)延時(shí)一段時(shí)間,然后工頻轉(zhuǎn)變頻接觸器轉(zhuǎn)換。
PLC設(shè)計(jì)一套變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化自動調(diào)節(jié)兩臺水泵的轉(zhuǎn)速及其投入與退出[6],使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值,并滿足用戶的流量需求,使整個(gè)系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。
該系統(tǒng)也可以通過人意修改參數(shù)指令(如壓力設(shè)定值、控制順序、壓力上下限、PID值等);具有完善的電氣安全保護(hù)措施,對過流、過壓、欠壓、過載、斷水等故障均能自行診斷并報(bào)警。
3.2手動運(yùn)行模式:
在PLC或者變頻器故障的情況下,操作人員可以在現(xiàn)場根據(jù)當(dāng)時(shí)的管網(wǎng)壓力的需要,利用控制柜面上的按鈕開對兩臺泵的啟停和變頻工頻運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制,每臺泵都有變頻、工頻和運(yùn)行、停止按鈕。
4 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)上位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)
WinCC是西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件,主要用于對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控,基于微軟公司的Windows2000或Windows NT操作系統(tǒng),作為一款監(jiān)控軟件,能提供對工業(yè)自動化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制、管理和集成等一系列的功能,同時(shí)也為用戶實(shí)現(xiàn)這些功能的組態(tài)過程提供了豐富和易于使用的手段和工具。 采用PPI通訊協(xié)議確保組態(tài)軟件能夠與S7-200建立高速無縫的連接[7],集成的RS422/485通訊口使觸摸屏與PLC的通訊更加靈活,通信速率高達(dá) 187.5kb/s高端的ARM處理器,主頻達(dá)到400MHz,使數(shù)據(jù)處理更快,畫面顯示更流暢擁有獨(dú)特的變量管理器,可以集中管理項(xiàng)目中的所有變量。
主監(jiān)控畫面如圖4-1所示,能夠?qū)崟r(shí)顯示工藝設(shè)備的狀態(tài),能夠?qū)崟r(shí)顯示管網(wǎng)的壓力以及其它設(shè)備信息,點(diǎn)擊下面的按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)的界面,對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步的了解。此外,該監(jiān)控系統(tǒng)還提供了登陸用戶、退出用戶、修改密碼等功能,設(shè)定了兩個(gè)權(quán)限,一個(gè)為操作權(quán)限,此權(quán)限僅能監(jiān)控;另一個(gè)為維修權(quán)限,可以對系統(tǒng)進(jìn)行修改,這樣用相對應(yīng)的權(quán)限來實(shí)現(xiàn)相對應(yīng)的操作,有效的保證了系統(tǒng)操作的安全性。
5 結(jié)語
此遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)運(yùn)行可靠,極大地提高了供水效率,降低的對水資源的浪費(fèi)??梢愿鶕?jù)需要,設(shè)定壓力值,系統(tǒng)自動進(jìn)行循環(huán)啟動,實(shí)現(xiàn)恒壓供水,系統(tǒng)的響應(yīng)速度快,穩(wěn)定性好。變頻恒壓供水系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要水壓的變化自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。且在變頻工況下其出口流量小于額定流量,泵轉(zhuǎn)速降低,減少了軸承的磨損和發(fā)熱,延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。操作人員的工作量和勞動強(qiáng)度大大降低,能源和設(shè)備的利用率得到提高,保證供水設(shè)備管理運(yùn)行的可預(yù)見性,對用戶用水質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程管理,實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況,并對設(shè)備管理提供科學(xué)的依據(jù),為用戶提供安全、環(huán)保、節(jié)能和高效的用水質(zhì)量。
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