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變頻器和S7-300PLC在泵站恒壓供水控制系統(tǒng)中應用
摘要: 隨著城市建設規(guī)模的不斷擴大和生活水平的提高,加上居住小區(qū)推行一戶一表供水以后,對市政管網(wǎng)供水的可靠性(壓力、流量)要求越來越高,各種分散或集中加壓設施也逐漸增多。在這些加壓設施中,采用調(diào)節(jié)水池加上變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))變量供水方式在穩(wěn)定城市管網(wǎng)壓力、節(jié)約能源、系統(tǒng)監(jiān)視管理方面已顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。
Abstract:
Key words :

1.引言
經(jīng)隨著城市建設規(guī)模的不斷擴大和生活水平的提高,加上居住小區(qū)推行一戶一表供水以后,對市政管網(wǎng)供水的可靠性(壓力、流量)要求越來越高,各種分散或集中加壓設施也逐漸增多。在這些加壓設施中,采用調(diào)節(jié)水池加上變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))變量供水方式在穩(wěn)定城市管網(wǎng)壓力、節(jié)約能源、系統(tǒng)監(jiān)視管理方面已顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。
2.系統(tǒng)組成情況
2.1 SINAMICS G150變頻器
源于西門子最新傳動家族的SINAMICS G150高性能單機變頻調(diào)速柜適用于所有單電機傳動的應用,滿足多種負載特性的要求,包括平方轉距,線性轉距,恒轉距及恒功率負載類型.。采用緊湊高品質(zhì)威圖(RITTAL)柜式設計,節(jié)省占地面積30%~70%。柜內(nèi)強電保護,安靜運行(低于67dB)。使用全新主控制板CU320,智能化設計,采用CF軟件存儲卡,提供光纜接口和ProfiBus接口,功能操作面板AOP30和功能強大的軟件工具 STARTER進行選型,調(diào)試,節(jié)能計算。SINAMICS G150變頻器配合N-Compact電機非常適用于使用平方律扭矩特性驅動泵和風機的變頻器操作。
2.2 可編程序控制器(PLC)
選用西門子S7-300系列通用型PLC。該系列PLC能適合自動化工程中的各種應用場合,使用模塊化結構,各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。使用CPU313C-2DP為核心控制單元,該模塊帶MPI和ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" 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title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP通信接口,配有MMC存儲卡,免維護,集成了24DI/16DI 的數(shù)字量IO,再擴展一個8AI的模擬輸入模塊用于管網(wǎng)壓力,流量,蓄水池水位及電機軸承溫度等模擬量的檢測。
2.3工業(yè)控制計算機(IPC)系統(tǒng)
使用研華IPC610工控機,以MS Windows2000為系統(tǒng)平臺,配置CP5611用于ProfiBus-DP現(xiàn)場總線通信,SIMATIC NET 軟件配置OPC Server 使用VB6開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控軟件,MS SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫管理平臺。使用 SIMATIC SETP7 軟件進行對系統(tǒng)的組態(tài)和編程調(diào)試,使用STARTER 軟件進行對SINAMICS G150變頻器的配置調(diào)試。
其他設備包括水泵電機、出口閥門、壓力傳感器、液位計及相關電氣控制設備等集成,進行變頻調(diào)速全自動閉環(huán)控制管理監(jiān)視功能,其系統(tǒng)組成示意見圖1 。

圖1 系統(tǒng)組成

 

3.系統(tǒng)的設計與實踐
3.1 基本控制原理
由壓力變送器測量管網(wǎng)壓力和流量信號轉換成標準模擬信號經(jīng)PLD的A/D轉換,和設定值比較,進行PID運算,通過DP總線控制變頻器頻率,調(diào)節(jié)水泵轉速而達到恒壓及節(jié)能原理。如圖示。
3.2 通訊網(wǎng)絡的選擇與設計
PLC的發(fā)展除了功能越來越多、集成度越來越高外,
網(wǎng)絡功能也越來越強。選擇好控制器之后,選擇數(shù)據(jù)的傳輸方式——通訊網(wǎng)絡也是非常重要的。西門子根據(jù)不同自動化水平的要求(工廠級, 單元級, 現(xiàn)場和傳感器/執(zhí)行器級),提供了網(wǎng)絡解決方案,包括多點接口 (MPI)、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)、ProfiNet (基于工業(yè)以太網(wǎng))、點對點連接 (PtP)、執(zhí)行器/傳感器接口(ASI)。目前網(wǎng)絡是一個發(fā)展趨勢,一個好的網(wǎng)絡系統(tǒng)可以大大降低成本。本系統(tǒng)使用了Profibus-DP的網(wǎng)絡,Profibus-DP通信速率達到12Mbps,能夠方便將PC、PLC和變頻器通過一根RS485屏蔽雙絞線連接在一起實現(xiàn)通信控制,降低了布線和維護的費用。SIMATIC STEP7 提供強大的網(wǎng)絡診斷工具也給調(diào)試帶來很大方便。
3.2 變頻參數(shù)設置
可以通過多種途徑設置G150變頻器參數(shù)。使用STARTER軟件能夠方便而直觀的進行所有的參數(shù)設置。通過STARTER的向導設置G150變頻器站地址,和波特率等參數(shù),使之連接到DP總線上,成為S7-300PLC 的一個從站。配置連接的電機類型、電流、功率等參數(shù),配置變頻器命令源和主參數(shù)設定源為Profibus方式,選擇速度控制方式(Speed control),定義Profibus PZD數(shù)據(jù)格式,選擇使用水泵風機負載類型。如圖所示。


圖2 變頻器設置向導

圖3 驅動原理

圖4 斜坡功能發(fā)生器(RFG)

圖5 速度設定邏輯

3.3 下位機PLC程序開發(fā)
PLC本控制系統(tǒng)的核心元件。設備服務器工控機(IPC)與S7-300數(shù)據(jù)通訊使用高速PROFIBUS-DP通訊方式變頻器和Profibus總線型西門子變頻器。基于該對象進行PLC的硬件組態(tài)和軟件組態(tài),然后通過SIMATIC STEP7編程實現(xiàn)PLC控制算法,實現(xiàn)單元級控制。
使用控制字CW(Control Word)控制變頻器的啟停及運行方式,故障確認等。
監(jiān)視狀態(tài)字SW(Status Word)實時反饋變頻器的運行狀態(tài)。

圖6 SETP7 中設置系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

圖7 STEP7里進行硬件配置

圖8 SETP7 DP通信程序

3.4 上位機監(jiān)控程序開發(fā)
3.4.1 OPC Server通信服務器
PLC與上位監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)交互采用了先進的OPC接口實現(xiàn)。OPC(OLE for Process Control)是以OLE/COM/DCOM 機制作為應用程序級的通信標準。OPC技術的實現(xiàn)包括兩個組成部分,即OPC Server和OPC Client。OPC Client通過OPC標準接口與OPC Server通信,獲取OPC Server的各種信息。只要符合OPC標準的所有客戶應用程序都可以訪問來自任何生產(chǎn)廠商的標準OPC服務器程序。與DDE相比,OPC技術更具優(yōu)越性。數(shù)據(jù)傳輸速度更快(在遠程客戶數(shù)多時,OPC技術優(yōu)勢尤為突出)、更安全、開發(fā)成本更低、可靠性更高等。西門子公司提供了功能強大的OPC Server 軟件SIMATIC NET。通過SIMATIC STEP7 建立一個PC STATION 配置通信硬件CP5611,添加OPC Server和PLC建立S7通信連接編譯后下載到本地PC運行既建立了OPC Server。
SIMATIC NET 不僅是功能強大的OPC Server而且包含了測試OPC 客戶端 OPC Scout,并帶有 OPC Server Browse OCX等控件,為上位機的開發(fā)提供了很大的方便。界面的設計使用VB6,在VB6中添加SIMATIC提供的 OPC 客戶端組件,將PLC的變量和畫面上的對象直接連接起來,就象組態(tài)軟件一樣方便。大大的簡化了上位機和下位機通信驅動的開發(fā)編程,同時也提高了通信的穩(wěn)定性和可擴展性。

圖9 顯示界面設計

3.4.2 SQL Server數(shù)據(jù)庫服務器
選擇了采用客戶機/服務器計算機模型的SQL Server作為后臺關系數(shù)據(jù)庫服務器。根據(jù)需要建立了用戶注冊信息表、歷史數(shù)據(jù)表、歷史報警數(shù)據(jù)表、歷史事件數(shù)據(jù)表、日志表、用戶登陸信息表等。通過VB的ADO對象能夠方便的對數(shù)據(jù)庫進行操作,進行歷史數(shù)據(jù)和歷史報警和事件的記錄、歸檔和查詢。
3.4.3 界面元素設計
在成功建立通信和數(shù)據(jù)鏈路后,要將數(shù)據(jù)動態(tài)直觀的在計算機屏幕顯示出來。VB的良好的界面設計能力,能夠實現(xiàn)各種WINDOWS元素的顯示。本系統(tǒng)還使用了第三方設計的動態(tài)顯示控件組(世紀飛揚),對實時曲線,歷史曲線,動態(tài)指示燈、按鈕、棒圖等對象做了很好的處理,簡單的數(shù)據(jù)連接即能實現(xiàn)美觀的效果,大大的方便了設計。

4.結論
隨著能源的相對緊缺,變頻技術的不斷發(fā)展和應用對于大功率的電機設備逐漸實現(xiàn)了變頻改造。此外,由于計算機、網(wǎng)絡通訊等技術的不斷發(fā)展,潛移默化的改變著人們的學習、生活和工作等方式。對基于現(xiàn)場總線控制和遠程、無線控制技術也將不斷推廣應用于各個行業(yè)。如對上述系統(tǒng)將IPC通過互連網(wǎng)絡或PLC端加置無線通信(如GPRS)模塊連接到自來水水總公司便可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的遠程集中監(jiān)控管理(包括遠程智能監(jiān)測和控制、遠程故障診斷和維護等)、實現(xiàn)無人值班守泵站建設。


參考文獻
[1] SINAMICS G150 Operating Instructions. Siemens A&G, Edition 06/03
[2] SIMATIC STEP7編程手冊. 西門子自動化與驅動集團
[3] 西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南. 西門子自動化與驅動集團,機械工業(yè)出版社

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