變頻恒壓供水系統設計

尤志強

【摘 要】小區供水是變頻恒壓供水系統經常應用的例子。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能。小區供水系統是用PLC和變頻器制作的供水控制系統。

【關鍵詞】PLC；控制系統；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

系統起動之后，檢測是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，人們根據自己的需要操作相應的按鈕，系統根據按鈕執行相應操作。如果是自動運行模式，則系統根據程序及相關的輸入信號執行相應的操作。手動模式主要是解決系統出錯或器件出問題在自動運行模式中，如果PLC接到頻率上限信號，則執行增泵程序，增加水泵的工作數量。如果PLC接到頻率下限信號，則執行減泵程序，減少水泵的工作數量。沒接到信號就保持現有的運行狀態[1]。

2 系統設計

2.1 系統硬件設計

PLC選型這是PLC應用設計中很重要的一步，目前，國內外生產的PLC種類很多，在選用PLC時應考慮以下幾個方面。

1.規模要適當；

2.功能要相當，結構要合理；

3.輸入，輸出功能及負載能力的選擇要正確；

4.要考慮環境條件。

根據以上原則，這次設計選擇西門子S7-300系列的詳細模塊。

PS：PS 307 5A 6ES7 307-1EA00-0AA0 數量1個。

功能：給整個機架供電。

電源模塊為S7-300 PLC和需要DC 24V的傳感器/執行器供電。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。本系統選用的是PS 307 5A的電源。

CPU314（1）：6ES7-1AF11-0AB0 數量1個。

功能：對每條二進制指令的處理時間大約為60ns，每個浮點預算的時間為0.59μs。

S7-300模塊有不同型號的CPU，以適應不同等級的控制系統。有的CPU上集成有I/O點，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口，有的CPU上集成有PTP接口等。本系統選用的是CPU314。

SM331：6ES7-1KF01-0AB0數量1個。

功能：模擬量輸入模塊 AI 8x13 位。

SM332：6ES7-5HD01-0AB0數量1個。

功能：模擬量輸出模塊 AO8/12 位。

SM321：6ES7-1FF01-0AA0 數量1個。

功能：數字量輸入模塊 DI1624 V，分成 16 組。

SM322：6ES7-1FF01-0AA0數量1個。

功能：數字量輸出模塊 DO 24V/0.5A，分成 8 組。

本系統中，采用MciorMaster430系列變頻器，型號為HVAC（風機和水泵節能型）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準變頻器中的風機和泵類變轉矩負載專家，功率范圍7.5kW至250Kw。它按照專用要求設計，并使用內部功能互聯（BiCo）技術，具有高度可靠性和靈活性，牢固的EMC（電磁兼容性）設計；控制軟件可以實現專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節能運行方式等[2]。

2.2 下位機S7-300程序設計

1.打開桌面上的SIMATIC Manager快捷圖標，按照“新建項目向導”添加一個新的項目。

2.鼠標左鍵單擊“SIMATIC 300站點”，雙擊右邊的“硬件”對SIMATIC 300的站點進行組態，在SIMATIC 300站點界面中的左上部分添加“機架”，然后在右邊選擇我們已經選型好的硬件，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，可以進行下一步程序的編寫了，下面介紹本系統中的主要程序的設計依據。

根據系統用水量的變化，控制系統控制2臺水泵按1-2-3-4-1的順序運行，以保證正常供水。開始工作時，系統用水量不多，只有1號泵在變頻器控制下運行，2號泵處于停止狀態，控制系統處于狀態1。當用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作己不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，1號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動2號泵電機，控制系統處于狀態2。

當系統用水高峰過后，用水量減少時，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，可將1號泵電機停運，2號泵電機仍由變頻器電源供電，這時控制系統處于狀態3。

當用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作已不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統的控制，2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動1號泵電機，控制系統處于狀態4。

當控制系統處于狀態4時，用水量減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統供水的要求，此時，通過控制系統的控制，2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器啟動1號泵電機，控制系統處于狀態4。

當控制系統處于狀態4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統的控制，可將2號泵電機停運，1號泵電機仍由變頻器供電，這時控制系統又回到了狀態1。如此循環往復的工作，以滿足系統用水的需要[3]。

2.3 WinCC監控界面的設計

WinCC運行于個人計算機環境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，具有豐富的設置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，可形成所需的操作畫面、監視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。

WinCC為了與外部設備（如PLC）進行通訊，必須組臺用于該設備的通道。此通訊驅動程序支持多種網絡協議和類型，具有良好的開放性和靈活性。無論是單用戶系統，還是冗余多服務器/多用戶系統，WinCC均是較好的選擇。通過ActiveX、OPC、SQL等標準接口，WinCC可以方便地與其他軟件進行通信。通道就是在設備和WinCC之間生成的邏輯借口的驅動器，具有三個功能：

1.為使用人員提高組態物理和邏輯連接參數的方法；

2.通過數據管理器在外部設備和WinCC變量之間建立一個在線運行接口；

3.為用戶提高一個簡便接口用于外部設備或應用的存儲器結構加入變量標簽并設置地址。

3 建立變量連接

變量系統是組態軟件的重要組成部分，WinCC中的變量類型有In和Out。In和Out是相對于主站來說的，即In表示WinCC從S7-300系列PLC入讀數據，Out表示WinCC向S7-300系列PLC寫出數據。按照功能又可以分為外部變量、內部變量、系統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，稱為內部變量。

WinCC還提供了一些預定義的中間變量，稱為系統變量。每個系統變量均有明確的意義，可以提供事項的功能，一般用以表示運行系統的狀態。

4 結論

本次設計的控制系統充分利用了西門子PLC S7-300的特點，對驅動電動機、行程開關、電磁閥及其他一些輸入輸出進行精確的控制，實現了更高的精度和參數指標，節省了原材料的浪費，提高了產品的合格率，實現了更高的經濟效益。

本文介紹了變頻恒壓系統的發展趨勢，課題的研究目的及意義。分析了供水流量的工藝流程，監控內容等。根據工藝要求進行設計監控系統總體方案。對系統組成實現和硬件配置進行了論述，并詳細的進行了監控系統的軟件設計。最后本文述說了外輸計量系統的硬件和軟件的調試。本文設計系統是采用單片機數據采系統和西門子S7-300和 WinCC監控軟件，實現了人機監控界面和在線數據采集、分析、參數和事件報警、趨勢曲線顯示等功能，對監控參數進行了在線動態管理。

【參考文獻】

[1]殷華文，劉黎明，劉萬里.工業控制網絡設計技術[J].上海：自動化儀表，2002，23（11）：24-27.

[2]楊長能.變頻器基礎及應用[M].重慶：重慶大學出版社，1993：55-57.

[3]吳浩烈.電機及電力拖動基礎[M].重慶：重慶大學出版社，1996：173-174.

[責任編輯：楊玉潔]