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基于PLC和变频器串行通讯的变频恒压供水系统

基于 PLC 和变频器串行通讯的变频恒压供水系统 姚福强 高正中(山东科技大学信息与电气工程学院,青岛,266510) 姚福安(山东大学控制科学与工程学院,济南,250061)

摘 要:介绍了一种基于 PLC 和变频器采用串行总线方式通讯的变频恒压供水系统的构成和工作原理。系统采用变频调速方式 自动调节水泵电机转速,保持供水压力的恒定,在用水低谷时投入小流量泵,降低电能损耗。变频器故障时仍能自动 运行,保证不间断供水,同时故障消除后能自启动,实现无人值守全自动运行。 关键词: 关键词:可编程控制器 变频调速 串行通讯 小流量泵 在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中,采用传统的水塔、 高位水箱、气压增压等设备,不但占地面积和设备投资大,维护困难,且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水 需求。另一方面,由于供水量的随机性,采用传统方法难以保证供水的实时性,且水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而高峰用水 时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力浪费。这里介绍一种由可编程 控制器控制的变频恒压供水系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源。 一、系统介绍 变频恒压供水控制系统由 PLC 控制器、触摸屏显示器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及 3 台水泵(水泵数量可以根据需要设置)和一台小流量泵等构成,如图 1 所示。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力,在 蓄水池安装液位变送器,PLC 具有模拟量输入检测模块,检测压力变送器和液位变送器输出的 4-20mA 信号,将检测的压力信号与设定的 压力信号经过 PID 运算后,通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速,保持供水压力的恒定,这样就构成了以设定压力为基准的 压力闭环系统;自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较,输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电 流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和各泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运 行。该系统还设有多种保护功能,尤其是强电逻辑硬件互锁功能,从而保证正常供水,且可以做到无人值守。

二、工作原理

该系统具有手动和自动两种运行方式: 2.1 手动运行方式 选择此方式时,按启动按钮泵或停止按钮,可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。 2.2 自动运行方式 2.2.1 启动程序 在自动运行方式下开始启动运行时,首先检测水池水位,若水池水位符合设定水位要求,1#泵变频交流接触器吸合,电机与变频器 连通,变频器输出频率从 0Hz 开始上升,此时压力变送器检测压力信号反馈 PLC,由 PLC 经 PID 运算后控制变频器的频率输出;如压力 不够,则频率上升至 50Hz,延时一定时间后,将 1#泵切换为工频,2#泵变频交流接触器吸合,变频启动 2#水泵,频率逐渐上升,直至 出水压力达到设定压力,依次类推增加水泵。 2.2.2 水泵切换程序 如用水量减小,出水压力超过设定压力,则 PLC 控制变频器降低输出频率,减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某 一设定值(水泵出水频率,一般为 25Hz),而出水压力仍高于设定压力值时,PLC 开始计时,若在一定时间内,出水压力降低到设定压 力,PLC 放弃计时,继续变频调速运行;若在一定时间内出水压力仍高于设定压力,根据先投先停的原则,PLC 将停止正在运行的水泵 中运行时间最长的工频泵,直至出水压力达到设定值。 2.2.3 启动小流量泵 对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统,可设置一台小流量水泵。例如在晚上 12 点到凌晨 5 点,居民生活用水很少, 一台 30kW 的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在 25Hz 左右,电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能,同时还要长期工作在低频状 态,大大影响电动机的寿命。若系统中设置一台 5KW 左右的小流量水泵,为了维持出水压力,由小流量水泵变频工作,不仅电动机工作 在较高频率,而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上,其功率一般是主水泵功率的 1/4 到 1/6,扬程和主泵相同。 2.2.4 水池水位检测 在自动供水的过程中,PLC 实时检测水池水位,若水位低于设定的报警水位时,蜂鸣器发出缺水报警信号;若水位低于设定的停机 水位时,停止全部水泵工作,防止水泵干抽,并发出停机报警信号;若水池水位高于设定的水池上限水位时,自动关断水池给水管电动 阀门。 2.2.5 自动启动 有时电源会突然断电,若无人值班,恢复供电后若系统无法启动会造成断水,为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源 恢复后,PLC 会发出指令,蜂鸣器发出警告,然后按自动运行方式变频启动 1#泵,直到稳定地运行在给定水压值。 2.2.6 消防报警 当出现消防报警信号时,系统立即按照消防压力运行。 2.2.7 故障处理

变频故障从冗余设计原则考虑,在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障,蜂鸣器报警,PLC 发指令使全部水 泵停机,然后 1#泵工频运行(若水泵功率大于 37KW,则需要采用降压启动或其它启动方式),经一定延时后根据压力变化情况再使 2# 泵工频运行。此时,PLC 切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等 情况时,均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加 MODEM 模块,在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电 话,通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后,自启动前也要发出报警信号。 三、控制系统配置及软件编程 3.1 控制系统硬件配置 3.1.1 PLC 的选择 可编程序控制器采用 SIEMENS 的 S7-200 系列 CPU-226 主机,I/O 点数为 40 点(24 个输入点和 16 个输出点),具有 2 个 RS-485 通讯 /编程口,具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是 S7-200 PLC 的一个很有特色的功能,它使 S7-200 PLC 可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式,在本系统中 PLC 可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟量输入采用 4 路 12 位 A/D 模拟量输入的 EM231 模块,具有较高的精度。PLC 编程采用 STEP7-Micro/WIN 编程软件,它提供一个完整的编程环境,可进行离 线编程和在线连接和调试,并能实现梯形图与语句表的互相转换。 3.1.2 变频器及控制方式选择 在传统的变频控制系统中, 变频器的启动/停止由 PLC 通过开关量输出控制, 变频器频率是由 PLC 通过模拟量输出端口输出 0~5(10)V 或 4~20mA 信号控制的,这需要购买 PLC 比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测是只是由 PLC 读取变频器的故障报警触 点,只是知道变频器出现故障,但具体什么故障并不清楚,需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道,这对于一般 值班人员来说太难了。 因此在本系统中 PLC 对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的,变频器选用 SIEMENS 的 MM 系列或 ABB 的 ACS-400 系列风机/泵 类专用变频器,它们具有 RS-485 通讯接口,性价比较高。PLC 通过自由通讯口方式与变频器通讯,控制变频器的运行,读取变频器自身 的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数,并通过触摸屏显示出来,这比通过外部端口 控制变频器的运行具有较高的可靠性,节省了 PLC 宝贵的 I/O 端口,又获的了大量变频器的信息。 3.1.3 触摸屏 触摸屏选用台湾 HITCH 公司生产的 PWS 系列,它具有丰富的驱动程序,可方便地通过串口与 S7-200 系列 PLC 通讯。通过触摸屏可 以直观地显示各泵的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种故障信息等参数;操作人员通过触摸 屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数,并可以通过触摸屏控制各水 泵的运行。 3.1.4 控制电路设计 在控制电路设计中,注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁,防 止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。系统主要控制回路如图 2 所示。

图2 3.2 PLC 软件编程 整个系统 PLC 既有开关量和模拟量的输入/输出,又有与变频器和触摸屏的通讯,因此在 PLC 控制软件编程上采用模块式结构,各 种功能的程序模块通过主程序有机地结合起来,使系统运行稳定可靠。 在主程序中,PLC 上电初使化,检测系统各部分状态信息,若有报警信息则首先发出警告,若无报警信息,则开始从 1#泵(1#泵被 切除出系统,则从泵号最小的在线泵)变频启动,实时检测出水压力并进行 PID 运算,控制变频器的输出频率,保持供水压力恒定;若 变频器频率达到 50Hz 延时几秒后,出水压力仍低于设定压力,则将 1#泵切换为工频,变频启动 2#泵以保持压力恒定并依此类推。若出 水压力超过设定压力,则变频器降低输出频率来稳定出水压力。若变频器输出频率低于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值 时,延时一段时间后根据先投先停的原则,停止正在运行水泵中运行时间最长的工频泵,直至出水压力达到设定值。若系统只有一台水 泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率,则切除变频运行主泵,投入小流量泵,既保护主泵电动机,又节约能源。 四、结束语 在供水系统中采用变频调速运行方式,可根据实际需要水压的变化自动调节水泵电机的转速或加减泵,实现恒压供水,节能降耗; 系统增加了小流量泵,延长主泵电动机使用寿命。变频器故障后仍能自动运行,基本保障了不间断供水,同时采用 PLC 与变频器通讯的 方式控制变频器运行,具有一定的先进性。 目前该系统已有十几套投入使用,运行情况良好,操作直观方便,节能效果明显,受到用户好评。 参考文献: 参考文献: (1) 陈立定 吴玉香 苏开才 电气控制与可编程控制器[M] 广州 华南理工大学出版社

(2) 谢剑英 贾 春 微型计算机控制技术[M] 北京 国防工业出版社 作者简介: 作者简介: 姚福强 男 1972 年 10 月出生,汉,山东巨野人,工程师,1994 年毕业于山东工业大学自动化系,现任职于山东科技大学信息与电 气工程学院,主要从事电气控制和计算机测控系统的研究与应用工作。 单 位:山东科技大学信息与电气工程学院 通信地址:山东省青岛经济技术开发区前湾港路 579 号 邮编:266510 电话:0532-6058047 13505416306 E-mail:yaofq@vip.sina.com

西门子 S7-200 使用 USS 协议指令和变频器通信
网络 1: ld sm0.1 //初始化 movb 16#09, smb130 //端口 1 自由口模式,波特率 9600,每个字符 8 位,无校验 movb 16#b0, smb187 //写接收指令控制字,允许 rcv,检测信息结束字符、空闲线起始条件 movb 16#0d, smb189 //设置信息结束字符为 16#0d(回车符) movw +5, smw190 //设置空闲线检测时间间隔为 5ms movb 100, smb194 //设置最大字符数为 100 网络 2: ld sm0.0

movb 16#0d, vb100 //发送数据字符数为 13 movb 16#05, vb101 //通讯要求 movb 16#30, vb102 //变频器站号 01 movb 16#31, vb103 movb 16#44, vb104 //频率写入命令代码 movb 16#44, vb105 movb 16#31, vb106 //等待时间 1×10ms movb 16#32, vb107 //发送频率 20hz movb 16#30, vb108 movb 16#30, vb109 movb 16#30, vb110 movb 16#44, vb111 //求和校验码 de movb 16#45, vb112

movb 16#0d, vb113 //结束字符 movb 0, mb10 网络 3: ld sm0.0 atch int_0:int0, 26 //端口 1 发送完中断,连接到中断 0 atch int_2:int2, 24 //端口 1 接收完中断,连接到中断 2 eni //允许中断 网络 4: ld sm0.0 r sm187.7, 1 //禁止接收(避免接收发送冲突) rcv vb149, 1 xmt vb100, 1 //开始发送 中断程序 0: 网络 1: ld sm0.0 movb 5, smb35 atch int_1:int1, 11 //定时中断到中断 1 中断程序 1: 网络 1: ld sm0.0 dtch 11 s sm187.7, 1 //允许接收 rcv vb149, 1 //开始接收 中断程序 2: 网络 1: ld sm0.0 incb mb10 //每发送接收完一次 mb10 加 1 ab= mb10, 3 //当超过 3 次,退出不再发送 creti 网络 2:

ldb= smb186, 16#20 //接收无误条件下 ab= vb150, 16#06 //接收数据无错误,退出 creti not //否则,再发送 r sm187.7, 1 rcv vb149, 1 xmt vb100, 1


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