閆莎莎

（太原工業(yè)學(xué)院 自動化系，山西 太原 030008）

0 引言

無論是在日常生活還是生產(chǎn)勞動中，我們都離不開水資源。隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，如何能夠?qū)崿F(xiàn)高效穩(wěn)定的供水是當(dāng)下我們要考慮的問題，只有有效地分配水資源，才能滿足我們?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臺變頻器控制4臺電機(jī)中的1臺，當(dāng)其中1臺受變頻器控制時(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電機(jī)。這種方案在減少了變頻器臺數(shù)的同時(shí)，并沒有減少該系統(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)備需要滿足現(xiàn)場流量、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)格要具有較高的性價(jià)比。

水泵選擇型號為IS100-65-315型水泵。國標(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的信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號，1 V對應(yīng)為3 200，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號后為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。

1.4 變頻器的選型

變頻器型號為MICROMASTER 430，該變頻器是水泵類負(fù)載專用的變頻器[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、手動操作與自動運(yùn)行的切換操作及水泵的多泵切換等。

它的停車制動也有多種方式：OFF1、OFF2、OFF3、直流注入制動、復(fù)合制動?？刂品绞接芯€性V/F控制、FCC線性V/F控制、多點(diǎn)V/F控制、拋物線V/F控制等，本研究主要是控制水泵，所以選擇拋物線V/F控制。

在水泵的多泵切換中，一個(gè)變頻器控制多臺水泵的啟停。水泵是通過接觸器投入系統(tǒng)運(yùn)行，變頻器通過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，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)種類多，可以在溫度為-40～85℃的環(huán)境下使用，具有極高的性價(jià)比。

1.6 電機(jī)的選型

因?yàn)殚L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，采用三相五線制，這5條線分別對應(yīng)A、B、C、N、PE，其中A、B、C是火線，N為零線、PE為地線。利用互感器LH1將電流表PA1接入線路中，用來測總的電流，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)電壓表測電路的電壓，當(dāng)系統(tǒng)電流電壓過大時(shí)，斷路器QF1斷開，保障線路和各器件的安全。

工作原理：變頻器VF1通過斷路器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，將其與變頻器相對應(yīng)的口連接以控制變頻器的啟動與停止、頻率的大小。

第一臺電機(jī)的變頻接觸器為KM11，當(dāng)KM11接通時(shí)，第一臺電機(jī)此時(shí)為變頻運(yùn)行，如果此時(shí)PLC將得到的模擬信號傳送給變頻器，此時(shí)變頻器就會控制第一臺電機(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)，第一臺電機(jī)為工頻運(yùn)行，即按照一定的頻率工作。同時(shí)，線路中還有QF12、工頻斷路器、FR12熱繼電器，保護(hù)電機(jī)不被過電流、過電壓燒壞。

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

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

直流開關(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，液位測量值的上限和下限），控制電機(jī)的啟停。當(dāng)監(jiān)測到水位低于下限值時(shí)，自動打開補(bǔ)水閥，向水池中自動供水；監(jiān)測到水池水位超過上限值時(shí)，停止補(bǔ)水；當(dāng)監(jiān)測到水池沒有水時(shí)，所有的電機(jī)都停止工作。

為了保證每臺電機(jī)都不會工作太長時(shí)間，防止燒壞電機(jī)，需要每隔一段時(shí)間輪詢一次，輪詢到的那一臺電機(jī)為變頻工作，其他的電機(jī)為工頻工作。

當(dāng)系統(tǒng)啟動后，第一臺電機(jī)啟動，隨著水壓的上升，第一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越快，當(dāng)達(dá)到一個(gè)上限值之后，第一臺電機(jī)變?yōu)楣ゎl運(yùn)行，此時(shí)第二臺電機(jī)連接變頻器，開始變頻運(yùn)行[5]。然后第三臺、第四臺電機(jī)連接變頻器，直到滿足當(dāng)前水壓要求，電機(jī)停止加速；當(dāng)檢測到水壓下降，低于設(shè)定值時(shí)，最后一臺電機(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)到手動模式時(shí)，由人工控制電機(jī)的啟動與停止，第一臺電機(jī)以工頻運(yùn)行。

當(dāng)某一臺電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，該臺電機(jī)的故障指示燈亮，并且自動退出供水，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，不會影響其他電機(jī)的正常運(yùn)行。

2.2 PLC模塊接線圖

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)行仿真測試時(shí)，需要將編寫好的程序進(jìn)行編譯，觀察是否有錯誤。當(dāng)程序無誤時(shí)，將程序保存為awl文件并保存到文件夾中；打開Wincc Simulation軟件，選擇與其對應(yīng)的CPU型號——CPU226，如果型號不對應(yīng)，程序無法運(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)就會出現(xiàn)梯形圖窗口，在電機(jī)啟動按鈕后，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)開關(guān)期間電機(jī)的運(yùn)行情況，便于發(fā)現(xiàn)程序的錯誤并進(jìn)行相應(yīng)的修改，但并不能直觀地將其與水廠供水連接在一起。

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“西門子”PLC的型號為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“西門子”S7-200專有的一個(gè)通信協(xié)議，其他型號的可編程控制器是沒有的。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PPI電纜相連接起來，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一種特殊的通信卡相連，在編程軟件中對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，它是一種完全開放的通信，不受各種協(xié)議的束縛，而且可以通過使用者自行設(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)類型一一對應(yīng)。添加與系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)變量，分別有4臺水泵、工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行、輪詢時(shí)間、壓力設(shè)定、故障反饋、水位設(shè)定等參數(shù)。變量類型包括內(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。通過程序多次調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了通過增大或減小壓力測定值觀察4臺電機(jī)的啟動情況；每臺電機(jī)都有故障按鈕，可以進(jìn)行故障測試，同時(shí)有急停按鈕。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)點(diǎn)開實(shí)時(shí)曲線、報(bào)警畫面，都會有相對應(yīng)的曲線和數(shù)值。

4 結(jié)語

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、維修簡易、節(jié)能效果好的優(yōu)點(diǎn)。