变频恒压供水系统设计

尤志强

【摘 要】小区供水是变频恒压供水系统经常应用的例子。随着人民的生活条件越来越好，所以供水方式要越来越高效节能。小区供水系统是用PLC和变频器制作的供水控制系统。

【关键词】PLC；控制系统；变频器

【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

系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态[1]。

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

PLC选型这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面。

1.规模要适当；

2.功能要相当，结构要合理；

3.输入，输出功能及负载能力的选择要正确；

4.要考虑环境条件。

根据以上原则，这次设计选择西门子S7-300系列的详细模块。

PS：PS 307 5A 6ES7 307-1EA00-0AA0 数量1个。

功能：给整个机架供电。

电源模块为S7-300 PLC和需要DC 24V的传感器/执行器供电。有直流供电电源和交流供电电流。额定输出电流有2A、5A或10A。电源模块除了给CPU模块提供电源外，还可以给输入/输出模块提供DC 24V电源。本系统选用的是PS 307 5A的电源。

CPU314（1）：6ES7-1AF11-0AB0 数量1个。

功能：对每条二进制指令的处理时间大约为60ns，每个浮点预算的时间为0.59μs。

S7-300模块有不同型号的CPU，以适应不同等级的控制系统。有的CPU上集成有I/O点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口，有的CPU上集成有PTP接口等。本系统选用的是CPU314。

SM331：6ES7-1KF01-0AB0数量1个。

功能：模拟量输入模块 AI 8x13 位。

SM332：6ES7-5HD01-0AB0数量1个。

功能：模拟量输出模块 AO8/12 位。

SM321：6ES7-1FF01-0AA0 数量1个。

功能：数字量输入模块 DI1624 V，分成 16 组。

SM322：6ES7-1FF01-0AA0数量1个。

功能：数字量输出模块 DO 24V/0.5A，分成 8 组。

本系统中，采用MciorMaster430系列变频器，型号为HVAC（风机和水泵节能型）EC01—4500/3，额定电压为380V—500V，额定功率35kW。MicroMaster430系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250Kw。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性，牢固的EMC（电磁兼容性）设计；控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等[2]。

2.2 下位机S7-300程序设计

1.打开桌面上的SIMATIC Manager快捷图标，按照“新建项目向导”添加一个新的项目。

2.鼠标左键单击“SIMATIC 300站点”，双击右边的“硬件”对SIMATIC 300的站点进行组态，在SIMATIC 300站点界面中的左上部分添加“机架”，然后在右边选择我们已经选型好的硬件，选择“SIMATIC 300”，在PS-300中选择电源模块，CPU-300中选择CPU模块，在CP中找到CP341及SM-300添加模拟量输入。S7-300的硬件配置完成之后，可以进行下一步程序的编写了，下面介绍本系统中的主要程序的设计依据。

根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按1-2-3-4-1的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。

当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。

当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时，用水量减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器启动1号泵电机，控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要[3]。

2.3 WinCC监控界面的设计

WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。

WinCC为了与外部设备（如PLC）进行通讯，必须组台用于该设备的通道。此通讯驱动程序支持多种网络协议和类型，具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统，还是冗余多服务器/多用户系统，WinCC均是较好的选择。通过ActiveX、OPC、SQL等标准接口，WinCC可以方便地与其他软件进行通信。通道就是在设备和WinCC之间生成的逻辑借口的驱动器，具有三个功能：

1.为使用人员提高组态物理和逻辑连接参数的方法；

2.通过数据管理器在外部设备和WinCC变量之间建立一个在线运行接口；

3.为用户提高一个简便接口用于外部设备或应用的存储器结构加入变量标签并设置地址。

3 建立变量连接

变量系统是组态软件的重要组成部分，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S7-300系列PLC入读数据，Out表示WinCC向S7-300系列PLC写出数据。按照功能又可以分为外部变量、内部变量、系统变量和脚本变量这四种。

由外部过程为其提供变量值的变量，称为外部变量，也称为过程变量；过程没有为其提供变量值的变量，称为内部变量。

WinCC还提供了一些预定义的中间变量，称为系统变量。每个系统变量均有明确的意义，可以提供事项的功能，一般用以表示运行系统的状态。

4 结论

本次设计的控制系统充分利用了西门子PLC S7-300的特点，对驱动电动机、行程开关、电磁阀及其他一些输入输出进行精确的控制，实现了更高的精度和参数指标，节省了原材料的浪费，提高了产品的合格率，实现了更高的经济效益。

本文介绍了变频恒压系统的发展趋势，课题的研究目的及意义。分析了供水流量的工艺流程，监控内容等。根据工艺要求进行设计监控系统总体方案。对系统组成实现和硬件配置进行了论述，并详细的进行了监控系统的软件设计。最后本文述说了外输计量系统的硬件和软件的调试。本文设计系统是采用单片机数据采系统和西门子S7-300和 WinCC监控软件，实现了人机监控界面和在线数据采集、分析、参数和事件报警、趋势曲线显示等功能，对监控参数进行了在线动态管理。

【参考文献】

[1]殷华文，刘黎明，刘万里.工业控制网络设计技术[J].上海：自动化仪表，2002，23（11）：24-27.

[2]杨长能.变频器基础及应用[M].重庆：重庆大学出版社，1993：55-57.

[3]吴浩烈.电机及电力拖动基础[M].重庆：重庆大学出版社，1996：173-174.

[责任编辑：杨玉洁]