变频器及PLC控制技术在恒压供水系统中的应用

变频器及PLC控制技术在恒压供水系统中的应用

1 引言

供水系统在各行各业的生产和生活中都起着至关重要的作用。如何保证供水系统安全、可靠、稳定地运行是很多行业都很关注的问题。把先进的PLC控制技术和变频技术等自动化控制技术应用到供水领域，成为对供水系统的要求。

在供水系统中，如果用户用水量需要变化时，利用改变阀门开度变化传统的调整方法，会造成供水压力不足或过大情况，容易造成资源浪费和产生安全隐患。因此，在一些用水量变化大、水压控制高且流量完全由用户确定的供水系统采用变频调速技术则显得尤为重要。

图1变频恒压供水系统原理图

2 变频恒压供水工作原理

变频恒压供水就是变频调速技术在供水中的应用，其采用PID调节技术，使供水压力恒定在一个设定范围，其具有恒水压力波动小，节能效果明显。实验中采用循环软启方式。

它的工作原理是：当变频泵运行到工频50Hz时，此时的实际供水压力若还没有达到

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设定的供水压力，不是直接启动另外一台水泵，而是将当前以变频运行的水泵直接切换到工频方式运行，而以变频方式启动另外一台水泵，以达到维持系统压力的目的。在切换水泵时，按照先启先停的方式进行。这样的好处是机组中的每一台水泵在工作中都可以被使用到。变频恒压供水系统的原理图，如图1所示。

从图1可以看出，在系统运行过程中，将供水管网实际压力与设定压力比较，将得到的压力差经过PID控制器计算与转换，得到变频器输出频率的变化值后，调节水泵机组的运行方式和运行速度，最终使实际供水压力与设定压力值相等。

图2 系统结构框图

3 系统硬件设计

变频恒压供水系统结构原理图[1][2]如图2所示。系统由水箱、管路、阀门和水泵机组、电气操作系统和各种传感器、仪表等组成。电气操作系统由PLC(德国SIEMENS公司的

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S7-200型)、变频器(MM440)、小型断路器、交流接触器、热继电器、直流电源、小型电磁继电器以及各种指示灯和主令器件组成；传感器和仪表包括温度传感器、压力传感器、电压变送器、电流变送器、功率变送器等。

在此系统中，传感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。变频器[3]是这个系统中的核心器件，通过PLC对变频器的控制，就可以改变供水管中的压力[4]，实现恒压供水的要求。PLC将模拟量输入、输出模块经过转换后的数据进行PID运算，然后将计算值输出变频器，变频器根据输入的模拟量，改变输出的电压及频率，从而实现对电机转速的调节，改变管内压力值。

根据控制要求[5]，水泵机组由四台水泵组成。第一台水泵变压不足时，将第一台水泵切入工频运行，再投入第二台变频泵第四台水泵启动。停泵时先停第一台工频泵，再停第二台工频先开先停。

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图3 主程序流程图

4 系统软件设计

4.1程序模块设计

软件系统设计基于Windows平台的32位编程软件包STEP-7 Micro WIN，采用模块化设计方法，主程序的流程图如图3所示。

除主程序的流程以外，程序模块设计还涉及到定时器T0初始化程序、中断服务程序、故障报警子程序等相应的模块。

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4.2组态软件

本系统我们采用WINCC组态软件[6]。WINCC是一个工控系统中的一个电脑控制组态软件，它他可以和PLC通讯，可以点击组态中的按钮来操作一些设备的运行或停止；PLC是可编程控制器[7]，可以利用自己的程序来控制一些设备的运行顺序和状态，是工业中必不可少的一种控制方式。

因组态软件不能直接读取AIW通道中的数据，所以运用STEP7中的传送指令，将AIW通道中的数据传送到变量存储区中，以便组态软件从中读取数据。

4.3WINCC与S7-200PLC的通信

WINCC与S7-200系列PLC的通信，可以采用PPI和PROFIBUS两种协议之一进行。通过PROFIBUS协议进行WINCC与S7-200系列PLC通信的实现,需要以下几点：

(1)软硬件要求

PC机，Windows98操作系统；S7-200系列PLC；CP5412板卡或者其他同类板卡，如：CP5613，CP5611；EM277 Profibus DP模块；Profibus电缆及接头；安装CP5412板卡的驱动；安装WINCC 4.0或以上版本；安装COM Profibus软件。

(2)组态

首先，打开SIMATIC NET\\COM Profibus，重新建立一个组态，主站为SOFTNET-DP，从站是EM277 Profibus-DP。

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(3)设置PG/PC interface

在设置完成后可以诊断硬件配置是否正确、通信是否成功。

(4)WINCC的设置

在WINCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择PROFIBUS DP.CHN，设定参数。

(5)建立变量

WINCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的，即In表示WINCC从S7-200系列PLC读入数据，Out表示WINCC向S7-200系列PLC写出数据。In和Out与数据存储区V区对应。

(6)优缺点

优点：该方法数据传输速度快，易扩展，实时性好；

缺点：传送数据区域有限(最大64字节)，在PLC中也必须进行相应的处理，且硬件成本高，需要Profibus总线等硬件，还需要Com Profibus软件。

应用场合：适用于要求高速数据通信和实时性要求高的系统。

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图4 系统实时监测界面

5 系统运行实时监测界面

图4为系统实时监测界面。

6 结束语

文中介绍的新型供水方式不论在设备的投资运行的经济性，还是系统的稳定性和可靠性，自动化程序等方面，都是具有无法替代的优势，而且具有显著的节能效果。目前，该系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种的方向发展，而追求高度智能化、系列化、标准化将成为必然趋势。

于平

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