變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尤志強(qiáng)

【摘 要】小區(qū)供水是變頻恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用的例子。隨著人民的生活條件越來越好，所以供水方式要越來越高效節(jié)能。小區(qū)供水系統(tǒng)是用PLC和變頻器制作的供水控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】PLC；控制系統(tǒng)；變頻器

【Abstract】District water supply is an example of constant frequency and constant pressure water supply system.In recent years， the development of people's living conditions are getting better and better， so the way to water supply more and more efficient and energy saving.District water supply system is a water supply control system with PLC and frequency changer.

【Key words】PLC； Control system； Frequency changer

1 工作原理

系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測(cè)是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)運(yùn)行模式。如果是手動(dòng)運(yùn)行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。如果是自動(dòng)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或器件出問題在自動(dòng)運(yùn)行模式中，如果PLC接到頻率上限信號(hào)，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果PLC接到頻率下限信號(hào)，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號(hào)就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC選型這是PLC應(yīng)用設(shè)計(jì)中很重要的一步，目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的PLC種類很多，在選用PLC時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。

1.規(guī)模要適當(dāng)；

2.功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理；

3.輸入，輸出功能及負(fù)載能力的選擇要正確；

4.要考慮環(huán)境條件。

根據(jù)以上原則，這次設(shè)計(jì)選擇西門子S7-300系列的詳細(xì)模塊。

PS：PS 307 5A 6ES7 307-1EA00-0AA0 數(shù)量1個(gè)。

功能：給整個(gè)機(jī)架供電。

電源模塊為S7-300 PLC和需要DC 24V的傳感器/執(zhí)行器供電。有直流供電電源和交流供電電流。額定輸出電流有2A、5A或10A。電源模塊除了給CPU模塊提供電源外，還可以給輸入/輸出模塊提供DC 24V電源。本系統(tǒng)選用的是PS 307 5A的電源。

CPU314（1）：6ES7-1AF11-0AB0 數(shù)量1個(gè)。

功能：對(duì)每條二進(jìn)制指令的處理時(shí)間大約為60ns，每個(gè)浮點(diǎn)預(yù)算的時(shí)間為0.59μs。

S7-300模塊有不同型號(hào)的CPU，以適應(yīng)不同等級(jí)的控制系統(tǒng)。有的CPU上集成有I/O點(diǎn)，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口，有的CPU上集成有PTP接口等。本系統(tǒng)選用的是CPU314。

SM331：6ES7-1KF01-0AB0數(shù)量1個(gè)。

功能：模擬量輸入模塊 AI 8x13 位。

SM332：6ES7-5HD01-0AB0數(shù)量1個(gè)。

功能：模擬量輸出模塊 AO8/12 位。

SM321：6ES7-1FF01-0AA0 數(shù)量1個(gè)。

功能：數(shù)字量輸入模塊 DI1624 V，分成 16 組。

SM322：6ES7-1FF01-0AA0數(shù)量1個(gè)。

功能：數(shù)字量輸出模塊 DO 24V/0.5A，分成 8 組。

本系統(tǒng)中，采用MciorMaster430系列變頻器，型號(hào)為HVAC（風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能型）EC01—4500/3，額定電壓為380V—500V，額定功率35kW。MicroMaster430系列變頻器是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家，功率范圍7.5kW至250Kw。它按照專用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)（BiCo）技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性，牢固的EMC（電磁兼容性）設(shè)計(jì)；控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測(cè)、節(jié)能運(yùn)行方式等[2]。

2.2 下位機(jī)S7-300程序設(shè)計(jì)

1.打開桌面上的SIMATIC Manager快捷圖標(biāo)，按照“新建項(xiàng)目向?qū)А碧砑右粋€(gè)新的項(xiàng)目。

2.鼠標(biāo)左鍵單擊“SIMATIC 300站點(diǎn)”，雙擊右邊的“硬件”對(duì)SIMATIC 300的站點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)，在SIMATIC 300站點(diǎn)界面中的左上部分添加“機(jī)架”，然后在右邊選擇我們已經(jīng)選型好的硬件，選擇“SIMATIC 300”，在PS-300中選擇電源模塊，CPU-300中選擇CPU模塊，在CP中找到CP341及SM-300添加模擬量輸入。S7-300的硬件配置完成之后，可以進(jìn)行下一步程序的編寫了，下面介紹本系統(tǒng)中的主要程序的設(shè)計(jì)依據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制2臺(tái)水泵按1-2-3-4-1的順序運(yùn)行，以保證正常供水。開始工作時(shí)，系統(tǒng)用水量不多，只有1號(hào)泵在變頻器控制下運(yùn)行，2號(hào)泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時(shí)，表示只有1臺(tái)水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)，1號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動(dòng)2號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。

當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時(shí)，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只有1臺(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)，可將1號(hào)泵電機(jī)停運(yùn)，2號(hào)泵電機(jī)仍由變頻器電源供電，這時(shí)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)3。

當(dāng)用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時(shí)，表示只有1臺(tái)水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，2號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動(dòng)1號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。

當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時(shí)，用水量減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只有1臺(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)供水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，2號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器啟動(dòng)1號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。

當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時(shí)，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只有1臺(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，可將2號(hào)泵電機(jī)停運(yùn)，1號(hào)泵電機(jī)仍由變頻器供電，這時(shí)控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài)1。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要[3]。

2.3 WinCC監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。

WinCC為了與外部設(shè)備（如PLC）進(jìn)行通訊，必須組臺(tái)用于該設(shè)備的通道。此通訊驅(qū)動(dòng)程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型，具有良好的開放性和靈活性。無論是單用戶系統(tǒng)，還是冗余多服務(wù)器/多用戶系統(tǒng)，WinCC均是較好的選擇。通過ActiveX、OPC、SQL等標(biāo)準(zhǔn)接口，WinCC可以方便地與其他軟件進(jìn)行通信。通道就是在設(shè)備和WinCC之間生成的邏輯借口的驅(qū)動(dòng)器，具有三個(gè)功能：

1.為使用人員提高組態(tài)物理和邏輯連接參數(shù)的方法；

2.通過數(shù)據(jù)管理器在外部設(shè)備和WinCC變量之間建立一個(gè)在線運(yùn)行接口；

3.為用戶提高一個(gè)簡便接口用于外部設(shè)備或應(yīng)用的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)加入變量標(biāo)簽并設(shè)置地址。

3 建立變量連接

變量系統(tǒng)是組態(tài)軟件的重要組成部分，WinCC中的變量類型有In和Out。In和Out是相對(duì)于主站來說的，即In表示W(wǎng)inCC從S7-300系列PLC入讀數(shù)據(jù)，Out表示W(wǎng)inCC向S7-300系列PLC寫出數(shù)據(jù)。按照功能又可以分為外部變量、內(nèi)部變量、系統(tǒng)變量和腳本變量這四種。

由外部過程為其提供變量值的變量，稱為外部變量，也稱為過程變量；過程沒有為其提供變量值的變量，稱為內(nèi)部變量。

WinCC還提供了一些預(yù)定義的中間變量，稱為系統(tǒng)變量。每個(gè)系統(tǒng)變量均有明確的意義，可以提供事項(xiàng)的功能，一般用以表示運(yùn)行系統(tǒng)的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)充分利用了西門子PLC S7-300的特點(diǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、行程開關(guān)、電磁閥及其他一些輸入輸出進(jìn)行精確的控制，實(shí)現(xiàn)了更高的精度和參數(shù)指標(biāo)，節(jié)省了原材料的浪費(fèi)，提高了產(chǎn)品的合格率，實(shí)現(xiàn)了更高的經(jīng)濟(jì)效益。

本文介紹了變頻恒壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，課題的研究目的及意義。分析了供水流量的工藝流程，監(jiān)控內(nèi)容等。根據(jù)工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案。對(duì)系統(tǒng)組成實(shí)現(xiàn)和硬件配置進(jìn)行了論述，并詳細(xì)的進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。最后本文述說了外輸計(jì)量系統(tǒng)的硬件和軟件的調(diào)試。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)是采用單片機(jī)數(shù)據(jù)采系統(tǒng)和西門子S7-300和 WinCC監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)監(jiān)控界面和在線數(shù)據(jù)采集、分析、參數(shù)和事件報(bào)警、趨勢(shì)曲線顯示等功能，對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行了在線動(dòng)態(tài)管理。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]