基于PLC的变频调速恒压供水系统.pdf
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#的变频调速恒压供水系统戴鹏钱揖斌伍小杰王贵峰（中国矿业大学信电学院!
#$）摘要随着变频器技术的日趋完善，变频器自带的%&整定功能和强大的通信功能大大改善了恒压供水性能，%（）组网功能把分散的水源井、加压泵房、水厂管理层组成强大网络，实现智能诊断、实时监控和实时管理。
关键词恒压供水半双工通信加压泵房%（）$引言随着城市规模的不断扩大和城市人口的急剧膨胀以及城市工业的高速发展，城市用水量正急剧增长。
为了使每一位城市居民都能够轻松方便地用上洁净的自来水，泵房控制系统就成了整个水厂调度与监控系统中至关重要的环节。
基于%（）的变频调速恒压供水系统，随着%（）组网功能和变频器通信功能的提高，采用通信的方法使得实时监视和实时控制、实时管理成为可能，大大提高了工厂自动化程度。
本文结合研制的一个日供水量为#万*的水厂，具体介绍一个由水源井取水、在加压泵房加压、公司调度管理的恒压供水系统。
%控制系统组成为了节省人力，降低制水成本，水源井允许无人值守，操作人员可在中控室对整个水厂进行集中监控。
全厂管理、控制和监视信息都汇总到加压泵房进行处理，加压泵房在此系统中起着至关重要的作用，因此水厂的设计最终是加压泵房的设计。
加压泵房的主要功能为：
!
运行压力恒定程序，确保管网压力达到设定值并恒定。
与水源井进行无线通信，对水源井的工作状态进行监视。
#对全厂设备进行智能诊断、故障报警和自动生成各种生产报表，并反馈全厂信息到自来水总公司进行调度。
加压泵房变频调速恒压供水系统构成如图所示，由可编程序控制器、变频器、软起动器、压力传感器及上位机等构成。
%&控制采用变频器内置%&功能，采用变频器内置的%&功能，使程序着重于电动机自动切换子程序和全厂组网通信上。
如图所示，加压泵房供水系统共有七台水泵。
大功率电动机由变频转工频要求同频同相+，以及大型水厂跟踪管网压力实时性的要求，电动机分别由!
台变频器（$和!
$）和,台软起动器图恒压供水系统!
电气应用!
#年第!
$卷第%期制造业电气（!
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）拖动。
系统由两个%万&的蓄水池供水，此台水泵被分为（、）两组，!
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为（组，%!
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为）组，（、）蓄水池可以通过阀门贯通。
系统采用了两台变频器，当一台发生故障时，可以打开（、）蓄水池的贯通阀门，有效地达到备用的目的。
变频器和软起动器分别选用+（,-./公司的（0/1222和30+#222，它们针对水工业制造，对水泵有良好的控制作用。
本系统的控制核心为/456578的/#22系列9:
0。
恒压供水系统处理信号主要有模拟信号、开关量信号，系统还需分别与变频器、软起动器和水源井;+运算，最后输出一个频率信号给电动机，使电动机转速变化改变管网压力，使管网的实际值快速跟随设定值。
系统工作方式为“先起先停，先停先开”，以（组为例，当!
变频器工作频率达到工频，但是实际压力小于设定压力，则此时9:
0给出信号!
电动机软起动，当!
、!
电动机运转达到工频但实际压力还小于设定压力时，则起动#!
电动机，同理可以起动$!
电动机。
反之，当管网实际压力大于设定压力值且变频器的工作频率低于最低9+初始调节频率时，则给最先起动的工频泵软停止信号，使其软停车。
在实际系统当中会出现因某台电动机或拖动设备出现故障而遭屏蔽的情况，并且切换中应考虑环境干扰和确定压力切换范围。
设定9初始调节频率是考虑到当频率低于某一频率时，则此时变频泵不出水，而且如果9调节从零频率开始，则变频泵在初始状态时调节速度较慢。
当在自动方式时，系统突然停电则系统停机。
根据上位机显示排除故障，待电源恢复正常后，手动修改各个电动机的故障状态后才能选择自动方式运行。
!
$硬件设计水厂最大的特点是地域极为分散，通常水源地距离厂区几十公里，这样就造成控制系统.点的分散，因此需要分布式的具有/0（+（功能的控制系统，系统硬件设计如图!
所示。
出于安全性和系统的可靠性考虑，系统对所有的信号进行隔离，但对强烈的干扰仍无法消除。
为解决该问题，在9:
0的输入端加装一个滤波电容。
控制线路都采用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地。
图主程序流程图!
软件设计程序的编制采用模块化结构，针对此系统的特点，把程序模块化为电动机自动控制子程序、参数采集子程序、系统报警子程序和安全保护程序等。
主程序结构如图所示，参数采集程序包括开关量操作子程序、模拟量操作子程序和通信子程序等。
!
基于9:
0的变频调速恒压供水系统电气应用!
#年第!
$卷第%期开关量操作子程序处理设备的远程合分闸、电磁流量计的脉冲累积等开关量信号。
模拟量子程序处理蓄水池水位、电磁流量计瞬时流量值、浊度信号、余氯信号、电动机温度等模拟量信号。
系统报警子程序是对所有的系统警报信号，例如蓄水池水位超限、电动机温度超温、变频器或软起动器故障和!
#模块出现故障等情况。
由于选用了具有中断能力的数字量和模拟量输入模块，所以当硬件检测到现场故障信号时，便自动执行硬件中断处理程序块（$%&），对故障进行判别并按故障级别作相应处理。
电动机控制子程序和通信子程序是软件中的最重要部分，对变频器、软起动器和对水源井的检测和控制、故障代码的生成都采用通信的方式，下面将对电动机控制子程序和通信子程序作详细的阐述。
电动机控制子程序在电动机自动切换时（即变频器频率出现工频或者最低!
（调节频率时），依据是管网实际压力值。
因此管网压力值的可靠性尤为重要，压力值取自管网的压力传感器，其传输线较长，并且经过干扰较大的变频器等设备，所以在使用双绞屏蔽线的基础上必须经过软件滤波。
变频器和软起动器作为两种智能设备，有着自己独有的通信协议，系统采用#!
）&的自由口模式与这些设备进行信息互换。
自由口通信是通过用户程序控制通信口的操作模式。
利用自由口模式，可以实现通信连接多种智能设备。
采用通信方式对变频器和软起动器进行监视和控制是出于通信方式可以读出设备的相应信息，读出的信息量大且准确，对控制和监测都有很重要的作用。
通信总线采用双绞屏蔽、半双工的*+&,-总线，总线连接方式如图.所示。
+/0!
1中的功能块2%3（!
*#4）和2%）（!
+056）是系统自带的专为#!
）&模块提供的通信功能块，利用+/0!
1自带的功能块可以减少编程时间降低编程难度。
采用主从站、半双工的通信方式时，通信子程序应考虑：
!
采用半双工的通信方式，在每个时刻总线上只能有一个站处于接收或发送状态。
由于主、从站的工作方式为主站主动、从站完全被动，所以在程序中当主站成功发送完控制命令后，应该给予从站足够的时间反应主站命令。
#对每次接收的数据都应该进行校验，保证接收的数据的正确性从而避免系统发生误动作。
$当诊断系统出现错误立即置位标识位，给出相应的报警信息，并且根据报警信息自动对该报警信息给予分类，对重故障作停车检修。
设备故障时，对此设备停车并且屏蔽此设备，程序将不再访问该设备，这样可以大大节省由于多次重复对故障设备通信所带来的程序执行时间过长。
%每次发送新信息前，确保接收缓冲器中的内容取走，并且应对接收缓冲区和接收缓冲区清零。
图）+1）与变频器通信子程序流程图+1）与变频器通信子程序流程图如图）所示，!
.、!
3和分别表示发送失败次数、接收失败次数和从站设备地址号。
主站先向从站发送控制字，同时打开一个定时器，在一定时间内收到从站反馈信息，则认为发送成功，否则认为发送失败，出现发送失败时，对此从站进行再次通信。
一旦主站接收到从站反馈信息，则对此反馈状态字进行%#校验，%#校验正确则认为接收正确，对状态字进行变换转存，虽有接收的数据但%#校验错误认为接收失败。
一旦发送失败次数!
.或接收失败次数!
3超过三次，则对从站下一个参数进行读写，并给相应从站通信质量标识位置.，表示所#$电气应用!
#年第!
$卷第%期基于!
#的变频调速恒压供水系统对应的从站通信有误并同时打开一个定时器，当读取此台从站的状态时，接收到数据或者接收数据!
正确，则停止此定时器，不进行通信报警延时。
如果在定时器时间后通信质量标识位一直为#，则进行通信错误报警。
主站对从站反馈的状态字进行处理，可以得出设备运行参数和运行情况，作为上位机的显示。
变量!
#、!
$分别在主站有接收信息和主站对接收的信息!
校验正确时清零，并撤销相应的通信报警。
%&（与软起动器、%&（与%&$（通信子通信与此程序思想类同。
为保证整个供水系统的安全、可靠运行，还在硬件和软件部分设定了安全保护环节。
即当控制系统失效时，为保证水泵、电动机、变频器和软起动器的安全，切除所有执行机构的电源，所有执行机构将全部停止工作，只有在故障排除以后，给安全回路复位，系统才能恢复正常运行。
!
结束语由）*、变频器和软起动器、上位机等组成的恒压供水控制系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。
运用了上位机系统具有很强实时监视和故障的诊断功能，采用了此种电动机自动控制方法，大大减少了切换泵的次数，且采用了变频器和软起动器不仅提高了系统的安全性也克服了起动时的大电流冲击。
所研制的系统经过一年的运行检验，性能稳定、运行可靠、节能效果显著。
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