恒壓供水系統故障診斷與處理

章良明

（明喆集團有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的提升，對供水要求也越來越高。基于PLC的供水控制系統由可編程控制器、多種傳感器、變頻器構成，是一種閉環變頻恒壓控制系統［1］。變頻恒壓控制系統對泵的電機變頻調速，依據壓力變化經過控制器或者上位機的運算分析判斷給出控制信號，控制泵電機轉速，保持系統壓力恒定，安全可靠，節能高效。不論是運行的經濟性還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有一定的優勢［2］。基于PLC控制的變頻調速系統目前已經廣泛應用于高層建筑和工業生產中，能自動調節水壓，滿足人們的供水需求［3］。水是人類生命的源泉，是維持生命的重要物質。如何解決供水系統在使用過程中出現的故障，快速恢復供水，保障供水系統安全、穩定的運行，為人類提供賴以生存的水源尤其重要。自動化控制的恒壓供水系統是比較復雜的，在實際應用中會遇到各種各樣的電氣故障，甚至出現比較隱蔽的、硬件檢查和儀器檢測等常規手段難以解決的技術故障。STEP-7-MicroWin-SMART-V2.4是S7-200SMART工控軟件，有強大的程序編寫功能和豐富的用戶指令，運用工控軟件可以在線監視程序的輸出狀態，也能修改程序并強制Q點接通，為判斷故障提供可靠的依據，方便準確找到故障位置。本文介紹的是利用工控軟件在線監控PLC輸出點的狀態，修改程序中的輸出點并強制接通，并用萬用表測量輸出點電壓的方法來判斷故障原因的實用技巧。

1 故障分析

某高校九棟低區恒壓供水系統不能正常運行，需要緊急排除故障。此供水系統是威樂（Wilo）公司制造，有4臺水泵，由西門子S7-200SMART（CPU SR30）和施耐德ATV212變頻器聯合控制，通過觸摸屏設定參數和監控設備狀態。當設備出現故障時，先查看觸摸屏的報警記錄，檢查設備的運行狀態，再目測故障現象，參考系統資料，借助儀器、儀表等工具進行系統檢測，有條件的可以運行S7-200SMART工控軟件［4］，輔助判斷故障原因。

1.1 觸摸屏界面檢查

查看觸摸屏報警信息，無故障記錄；觸摸屏主界面顯示系統在運行狀態；查看系統信息界面，4臺水泵設在自動狀態；這樣，PLC根據模擬量反饋信號和水泵實際運行時間，通過CPU運算，自主確定啟動水泵的數量；檢查參數設定：“一般設定”“高級設定”“保護功能”和“策略控制”4項內容都正常。設定操作界面如圖1所示［5］。

圖1 觸摸屏操作界面

1.2 圖紙分析

要了解系統的結構和工作原理，必須從系統電氣原理圖入手，從圖紙上分析：系統有4臺水泵，分別命名為PUMP01、PUMP02、PUMP03、PUMP04，4臺水泵受S7-200SMART控制。（Q0.0，Q0.1）控制PUMP01的變頻或工頻啟／停；（Q0.2，Q0.3）控制PUMP02的變頻或工頻啟／停；（Q0.4，Q0.5）控制PUMP03的變頻或工頻啟／停；（Q0.6，Q0.7）控制PUMP04的變頻或工頻啟／停；Q1.0在CPU檢測到故障時，發出的故障信號，控制K12繼電器線圈吸合，因此，K12繼電器吸合，表示系統有故障；Q1.1控制K11繼電器線圈，K11吸合，輸出變頻器的正向運行指令，同時接通系統散熱風扇的電源。［0，0M］是模擬量輸出通道，程序中對應的模擬量輸出字是AQW16，此通道輸出4～20 mA的變頻器給定信號，［0+，0-］是模擬量輸入通道，在程序中對應的模擬量輸入字是AIW16，此通道輸入4～20 mA的壓力傳感器信號，［1+，1-］是模擬量輸入通道，在程序中對應的模擬量輸入字是AIW18，此通道輸入4～20 mA的變頻器頻率反饋信號，詳細的PLC接線如圖2所示，詳細的I／O分配如表1所示［6］。

表1 PLC的I／O分配表

圖2 PLC接線圖

1.3 變頻器分析

1.3.1 變頻器接線分析

施耐德ATV212變頻器有主接線回路和控制接線回路，下面主要介紹控制回路的接線：80和82號線是變頻器正向運行命令接通或斷開回路；5和6號線是變頻器頻率輸出信號，此信號接入模擬量模塊（EM AM03）的AIW18通道；888和65號線是變頻器故障輸出回路，控制K12繼電器的吸合或斷開；84和85號線是變頻器給定頻率的輸入回路，從模擬量模塊（EM AM03）的AQW16通道接入變頻器的給定頻率，如圖3所示［6］。

圖3 變頻器控制回路接線

1.3.2 變頻器參數的出廠設置

變頻器的主要設定參數需要參考變頻器手冊，比如電機的控制模式（PT），上限頻率（UL），頻率低限（LL），開關頻率水平（F300），自動斜坡（AU1），自動功能設置（AU4），命令模式（COND），頻率模式（FNOD），F：正向運行（F111），R：預置速度1（F112），RES：清除故障（F113），變頻器已準備好運行（F110）等。一般來說，變頻器運行的3個必要條件是：運行許可、命令、給定，分別對應圖4所示的F110、F112、FNOD三個參數［4］。

圖4 變頻器主要參數的出廠設置值

1.3.3 變頻器所有修改過的參數

變頻器參數修改以后，在Gru菜單中會有記錄，調取變頻器參數如表2所示，在Gru中，有兩個參數是值得注意的，F110為0，表示變頻器運行許可未啟用；F111為56，表示變頻器邏輯輸入端子F（簡稱LIF）接通時，變頻器的運行許可和正轉命令同時滿足條件，此時，由PLC模擬量模塊（EM AM03）提供給變頻器VIA通道4～20 mA的信號，變頻器就會運行。

表2 變頻器Gru參數表

1.3.4 變頻器快捷菜單

變頻器常用的主要參數放在快捷菜單，主要有自動加減速斜坡、加速時間1、減速時間1、頻率低限、最高頻率、電機熱保護、AO標定、電機控制模式、電機額定頻率、電機額定電壓、電機額定電流、電機額定速度、電機電流限制、自整定變頻器等，詳細的設定方法如圖5所示［4］。

圖5 快捷菜單設定

1.4 PLC分析

1.4.1 PLC硬件分析

S7-200SMART（CPU SR30）的RUN指示燈為綠色，STOP和ERROR指示燈不亮，說明CPU SR30在正常RUN，將系統處于自動運行狀態時，Q1.1（DQb的1號端子）指示燈亮，測量DQb輸出1號端子無220 V電壓，初步判定PLC的輸出點損壞［7］。1.4.2 PLC程序分析當懷疑PLC的輸出點損壞時，就需啟動筆記本電腦，運行STEP-7-MicroWin-SMART-V2.4工控軟件，打開程序文件，點擊程序狀態工具，就能在線監控程序，使用前需設置如圖6所示的通信參數［8］。

圖6 通信參數設定

IP地址：192.168.2.55

子網掩碼：255.255.255.0

默認網關：198.168.2.1

筆記本電腦IP：192.168.2.199

如果用通過MPI（Multi Point Interface）接口連接CPU SR30，需要使用西門子MPI編程電纜，在RS485通信設置中設定通信地址為2、波特率為9 600即可。

運行STEP-7-MicroWin-SMART-V2.4工控軟件以后，點擊程序塊中的子程序SBR_19［SBR1］，再點擊程序狀態工具，可以監控Q1.1（變頻器運行指令）的通／斷狀態，在接通的情況下，測量輸出點是否有電壓，可以判斷輸出點的好壞。當輸出點損壞時，優先考慮使用備用輸出點，具體做法是：在STEP-7-MicroWin-SMART軟件中點擊工具，將CPU置于STOP模式；再將SBR_19程序中的更改為，點擊下載工具，下載修改后的程序到CPU的內存中；鼠標選擇程序中的Q1.2，點擊工具，強制備用輸出點Q1.2接通，用萬用表測量對應的輸出端子的電壓，如果電壓正常，證明可以使用，更改相應的線路即可；用同樣的方法測試Q1.3的好壞，因備用點都測不出220 V輸出電壓，確認DQb通道的公共點損壞，整個通道的輸出點都無法使用，［SBR_19］子程序如圖7所示［9］。

圖7 PLC子程序［SBR_19］

2 診斷與措施

2.1 故障診斷

通過觸摸屏、圖紙、變頻器和PLC分析，可以看出，此次故障比較隱蔽。觸摸屏沒有故障記錄；變頻器沒有故障顯示；PLC處在正常RUN模式，能發出變頻器運行指令，Q1.1輸出指示燈點亮。但是，在用萬用表測量時，此點的輸出電壓幾乎為0 V，正常電壓是220 V左右，因此，確定Q1.1輸出點損壞。在輸出點損壞時，優先更換備用輸出點，更換時須修改PLC程序中對應的輸出點，修改后的程序需在CPU停止模式下載到CPU的內存中，點擊STEP-7-MicroWin-SMART軟件中的工具，重新將CPU置于RUN模式，調整輸出線路即可；如果遇到通道的公共點損壞，CPU模塊就無法再正常使用。此次檢查中發現CPU的QDb通道的所有輸出點都測不出220 V電壓，判斷為公共點損壞，只能更換新的CPU模塊。聯系廠家，經過溝通，到貨時間是10 d左右。

2.2 應急措施

10 d的采購時間比較長，如果系統不能供水的話，高校內故障區域將無水可用，這對學校的影響會很大，必須采取應急措施，恢復學校的正常供水。變頻器不能運行，是因為無法接收啟動命令，只需短接K11繼電器上的80和82號線，手動接通變頻器正轉命令即可，接線如圖8所示；由于是手動接通變頻器的命令，因此變頻器的啟／停不受PLC控制，但是，PLC處在正常運行狀態，大部分功能是正常的，系統壓力信號能正常反饋到模擬量模塊的AIW16通道，CPU通過PID運算以后，將給定頻率通過AQW16傳送到變頻器的VIA通道；值得注意的是，當系統用水量為零時，系統壓力會很快達到設定值，達到180 s的延時時間，系統自動切斷變頻器的主回路接觸器。面對這個問題，需將觸摸屏的高級設定參數［0流量允許］由啟用狀態修改為關閉狀態，系統就能穩定的運行。另外，考慮到系統長期運行的安全風險和節能的需求，在無人用水的夜間，手動切斷系統電源，停止供水。

圖8 K11繼電器的短接點

2.3 更換CPU

新的CPU SR30到貨后，需要即時更換CPU模塊，CPU固定在DIN導軌上，接線端子也是可以拆卸的，更換CPU非常方便，但也要注意安全風險。安裝或拆卸設備前，請切斷PLC電源，如果在通電的情況下嘗試安裝或拆卸CPU或相關設備，則可能會觸電或導致設備錯誤運行；如果在安裝或拆卸過程中未切斷PLC和相關設備的所有電源，則可能導致人員死亡、重傷或設備損壞。因此，在安裝或拆卸CPU或相關設備之前，必須采取合適的安全預防措施并確保切斷該PLC的電源［7］。

3 結束語

基于PLC控制的變頻調速恒壓供水系統涉及程序邏輯控制和變頻調速等前沿科學技術。電氣圖紙介紹的是系統結構和工作原理；技術手冊介紹的是設備參數和使用方法。當遇到比較隱蔽的故障時，硬件檢查和測量等常規的檢測手段和處理方法，不足以解決復雜的技術問題。比如，PLC的輸出點損壞，就需要借助于工控軟件，通過修改PLC運行程序和強制輸出等方法來測試和更換備用輸出點；尤其是PLC輸出的公共端損壞時，更需要借助于工控軟件進行判定和確認。工控軟件強大的程序編寫功能和豐富的程序指令，能幫助提高判斷問題的可靠性和準確性，為解決復雜的技術問題提供有效的技術支撐，值得借鑒和推廣。