PLC与WinCC flexible在远程供水系统中的应用

0 引言

随着社会经济的飞速发展，人们对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越多的要求。在居民生活小区，传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高。

可编程序控制器（简称PLC）由于具有功能强、可编程、智能化等特点已成为工业控制领域中最主要的自动化装置之一，它是当前电气程控技术的主要实现手段。本工程采用德国西门子S7200与软件WinCC flexible相结合，再连接ABB ACS510变频器构成全自动恒压供水控制系统，既利用了变频器调速技术优良的控制性能，又利用了WinCC flexible监控软件丰富的组态功能，操作方便，界面友好，与PLC通讯快捷。

1 工艺流程概述

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的，如图1-1所示。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

图1-1供水系统框图

Fig.1-1 Block diagram of the water supply system

水压由压力传感器的信号4-20mA送入PLC控制器，利用S7200软件内的PID编程导向，与用户设定的压力值进行比较，并将PID运算将结果通过PLC程序传送到变频器，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速[2]。西门子软件内部自带的PID指令采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑和稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。

本系统由变频器、PLC和两台水泵构成。利用了PLC程序控制的PID等相关功能，与变频器配合实施变频一拖二自动恒压力供水，具有自动/手动切换功能。变频故障时，可切换到手动控制水泵运行。

控制过程：水路管网压力低时，变频器启动1#泵，至全速运行一段时间后，由远传压力表来的压力信号仍未到达设定值时，PLC控制1#泵由变频切换到工频满频运行，然后变频启动2#泵运行，据管网压力情况随机调整2#泵的转速，来达到恒压供水的目的。当用水量变小，管网压力变高时，2#泵降为零速时，管网压力仍高，则PLC控制停掉1#工频泵，由2#泵实施恒压供水。至管网压力又低时，将2#泵由变频切为工频运行，变频器启动1#泵，调整1#泵的转速，维持恒压供水，如此循环。

2 硬件组成：

系统采用压力传感器、PLC和ABB ACS510变频器作为中心控制装置以实现所需功能。

信号来源：输配电设备网安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4-20mA的电流信号，提供给可编程控制器。ABB ACS510变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50 Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速，ABB ACS510变频器功能强大，即预先编置好的参数集，将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用默认的宏进行逻辑控制。可编程根据恒压时读取的变频器当前频率值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。在两个泵的各个主回路中有智能电量变送器，用于测量主回路中每一路的电流和电压，给PLC模拟量输入信号，以确保两台水泵的安全可靠运行。

恒压供水主电路图如图1-2所示，接触器KM2、KM4分别接到变频的输出端，分别连接1#水泵和2#水泵。而接触器KM1、KM3将工频电源分别接到两台水泵。变频器可以对任何一台水泵启动和恒压供水控制。空气开关（QF）是当电动机过载时自动将电动机从电网中断开热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中用作电动机的过载保护。

在切换工频的电机，停车方式设定为自由停车[3]，切忌不能软停车。接触器KM2与KM4断开变频器输出与电动机的连接，再用接触器KM1与KM3接通工频与电动机，用控制变频的接触器的常闭触点去接通控制工频的接触器电磁线圈，即控制变频的接触器和控制工频的接触器一定要互锁。这样就保证了变频器的输出端与工频不可能短接，避免切换时造成炸机、跳闸等故障。

对变频器的启/停控制，是将输出端连接的交流接触器是先接通，然后再给出变频器运

转命令；变频切换工频时，变频器需停机时，是先给出变频器停止命令，变频器停掉后，再断开接触器的。其中有0.5s的时间间隙，较好地避免了对变频器的冲击。