基于FCS变频恒压供水系统的应用设计

2011-10-18蒋兴加

大众科技 2011年5期

关键词：恒压组态变频

蒋兴加

（广西机电职业技术学院，广西南宁 530007)

基于FCS变频恒压供水系统的应用设计

蒋兴加

（广西机电职业技术学院，广西南宁 530007)

基于供水系统性能和工艺要求及智能建筑内在需求，利用IPC、PLC和变频器为核心构建恒压供水FCS，不仅确保有关设备、工作参数和工艺流程有机协调，完成数据采集、实时监测的自动化、智能化和信息化，并实现节能环保及延长设备寿命。尤其通过引入以太网和FCS监控系统，充分发挥集中管理、集中操作和分散控制的优势，显著提升系统安全性、可靠性、高效性、实用性，也为智能建筑的物业信息化管理奠定了良好基础。

FCS；恒压供水；变频器

（一）引言

变频器是机电一体化的高技术产品，以优异的调速性能、高效率、高功率因数、宽广的运用范围及显著的节能效果，得到了广泛的应用。现场总线是一种用于自动化底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是一种全分散、全数字化、智能、双向、多点网络通信系统；由现场总线构筑的 FCS系统因具有分散性和集中性、自治性和协调性、灵活性和扩展性、先进性和继承性、可靠性和适应性、友好性和新颖性等一系列特点和优点而广泛应用。

供水系统的高效、可靠运行与人们的生活密切相关，随着电力电子技术、控制技术、计算机等技术的不断发展和应用，从早期的水塔供水，进入到高性能的变频恒压供水。尽管变频恒压供水具有节能、运行工艺安全可靠、延长设备寿命等优点，但随着智能建筑的迅速发展，传统的变频恒压供水系统成为智能建筑弱电集成系统的信息“孤岛”，制约了现代物业管理的信息化水平，为此，引入通讯网络技术，设计基于工业以太网的恒压供水系统具有十分重要的现实意义。

（二）控制系统硬件设计

在恒压供水系统中，应对供水系统的有关设备工作状态和参数实时监测、控制、报警处理，并实现节能环保，同时需要把参数和状态上传到监控计算机，以实现集中管理和控制。系统主要测试的参数有供水管道出口压力、管道流量、蓄水池水位，对运行数据进行全自动数据采集、处理、分析、控制、显示、查询和打印，实现设备的自动监测管理，提高管理水平和工作效率。

根据 FCS系统体系结构、设计的原则、系统的工艺和性能的需求指导系统硬件的设计工作，为系统良好、可靠、高效地工作奠定坚实的基础，下面主要从系统的组成、系统工作原理和主要设备选型三方面进行简要说明。

1.系统总体设计

为确保系统工作的高可靠性以及考虑系统调试的需要，所设计的 FCS系统采用双方案方式，即操作站工作方案和传统的 PLC工作方案，以操作站工作方案为主。当操作站或网络通讯故障时，PLC控制系统工作方案投入工作，为及时处理突发事件，以及为配合恒压供水系统的实际调试工作，在PLC的控制方案中，引入了恒压供水工艺流程的完全手动控制方式。

变频恒压供水系统主要由变频控制柜、压力传感器、水泵、供水管网等设备组成，变频控制柜由变频器、断路器、接触器和控制器等设备组成；FCS主要由操作站（工程师站）、控制站和现场设备及通讯网络组成。变频供水的变频器、水泵机组、接触器、传感器、变送器视为FCS系统的现场设备，其控制器视为 FCS的控制站，操作站选用高性能的工控计算机。通讯网络分为底层控制网、系统网和监控网，控制网用于控制站和现场设备的互联，采用传统的模拟信号；系统网用于控制站和操作站的互联，采用 PROFIBUS-DP总线；监控网采用以太网，实现智能建筑信息共享。系统的结构原理图如下图1所示。

图1 系统结构原理图

在所设计的 FCS系统中，一方面，确保恒压供水系统正常可靠运行；另一方面，充分利用计算机强大的数据运算、处理、图形显示和通讯功能，及时监控系统的工作参数和工作状态，也为智能建筑物业信息化管理提供了良好的平台。

2.系统的工艺流程

系统的控制原理参见图1。压力传感器将用户管网水压信号变成电信号（4mA-20mA）送给PLC的A/D转换器输入端，经过PLC程序数据处理后，执行PLC中的PID指令，PID根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制量，经PLC的D/A输出模拟信号给变频器的外部输入控制端，通过变频器输出电源控制水泵电动机的电压和频率，调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水量来调节供水管网的压力。

当用水量较少时，1#泵在变频器控制下变频运行。如用水量加大，压力传感器在供水管网端测的水压偏小，则变频器输出频率上升，直到上限频率50Hz，这时1#泵由变频切换为工频运行状态。同时系统对2#泵进行变频起动和调节。如果两台泵供水仍不能满足供水要求，则系统将2#泵投入工频进行，将3#泵投入变频运行。

如用水量减少，变频器的频率会下降。当变频器频率下降至下限值30Hz时，PLC将最先工频运行的水泵停掉，如果频率下限值仍持续出现，PLC再停止第2台工频运行的水泵。系统按先开起的泵先切除的顺序逐台切换泵，以维持管网水压恒定；同时实现“倒泵功能”，延长水泵寿命。

FCS变频恒压供水系统，首先利用操作站进行系统初始化设置和发布起动命令；其次，通过执行 PLC控制程序，按照一定规则改变水泵机组投放和切除，在变频器的配合下，实现水泵的软起动；其三，变频器在 PLC的控制下输出所需频率和电压的交流电给变频水泵机组；其四，操作站除实现人机监控、报警和报表等功能外，还要实现数据远传。

3.主要设备选型

根据 FCS恒压供水系统的组成方案和工艺要求及所需的数字量、模拟量输入输出通道等情况进行设备选型工作。操作站选用 IPC-610型工控机，为实现 DP组态，配置具有PROFIBUS—DP接口的网卡 CP5611。控制器选用西门子的S7-200系列的CPU224PLC，具有14输入/10输出，并扩充具有4个模拟量输入和1个模拟量输出通道的EM235模块和具有PROFIBUS-DP接口的EM277模块。MM440系列变频器是西门子公司结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能矢量变频器，具有很宽的功率范围、优良的速度控制和转矩控制特性、完整的保护功能、较高的可靠性、较小的体积、灵活的编程能力以及可选的 PROFIBUS-DP接口模块，本系统选用西门子MM440变频器。

（三）FCS软件开发

1.软件开发概况

FCS控制系统，应确保实时性、可靠性、可维护性、过程量采集和输出、人机交互、通信功能、信息处理和算法优化等要求，为此在软件开发时，应充分从系统的工艺性能、功能基本要求及特点出发，以满足系统高性价比的目标。

FCS软件开发分为控制站的 PLC程序开发和操作站的监控程序开发两部分内容，由于组态软件具有直接读写PLC、图形和动画直观呈现工业现场信息、对现场数据进行逻辑和数字运算、对数据进行记录存储、可将运行状况及各类数据实现报表及报警处理、为用户提供脚本语言编写特定模块等强大功能，为了提高开发效率和系统工作可靠性，操作站选用西门子WINCC6.0组态软件。WINCC是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司共同开发的工控软件，是基于32位的Windows人机界面（HMI）监控软件，也是一个功能强大的全面开放的监控系统。WINCC集成了图形系统、报警信息系统、报表系统、数据处理、标准应用接口等功能，WINCC生成友好的人机对话接口，使操作员能够清晰管理和优化工作过程。S7-200PLC开发平台选用 STEP7Micro/WIN 32V4.0编程软件。

2.操作站软件组态

利用操作站WINCC6.0组态软件可对控制器及设备的工作参数和工作状态实现全面监视和控制，要求程序及画面能够直观地显示各个工艺参数的状态和数据；鉴于工业控制的特点，要能在画面上直观地看出工艺参数的趋势走向，便于进行分析、采取相应的操作及控制策略；为便于管理者的监管，要有历史数据库，同时，对主要的工艺参数进行报警监控，以便及时处理生产过程中出现的问题；另外，还要能对有关数据进行统计、打印，利用通信，为管理部门提供所需数据。因此，操作站实现主要功能包括：动态流程图、动态数据、趋势曲线画面显示功能，以及数据处理、数据库管理、控制调节、报警、数据通讯、打印等功能。

WINCC6.0组态软件的应用组态主要步骤为：其一、将所有IO点的参数及标识整理齐全，并以表格的形式保存，以便在组态软件组态和PLC编程时使用。其二、明确所使用的IO设备的生产商、种类、型号，使用的通信接口类型，采用的通信协议，以便在定义IO设备时做出正确配置。其三、根据工艺过程绘制、设计画面结构和框架。其四、建立实时数据库，组态各种变量参数，并定义数据连接。其五、制作实时、历史趋势曲线以及报警显示和报表功能。其六、对组态及系统进行分段和总体调试，进一步完善用户需求和系统功能。

操作站的监控画面主要包括：FCS恒压变频供水系统主画面、趋势图和报警画面。

1）主画面系统主画面是系统的总貌图，操作员可观看系统总体运行情况和各种状态，了解各个设备的运行情况，在画面上主要显示设备的开关量信号及主要参数，其主画面如图2所示。

2）趋势图主要包括实时趋势和历史趋势，过程数据首先由组态软件的实时数据库处理和保存为历史数据库，然后由界面系统的趋势曲线显示和分析。利用实时趋势图不仅可以监测各变量的当前值，还可以通过曲线变化情况来监测变化的趋势，从而可对出现的问题进行及时处理。

3）报警画面报警是在控制过程出现问题时，及时发出警告，指导操作人员根据报警情况作相应处理，并通过事件记录，掌握状态变化和操作人员活动情况。

图2 FCS变频恒压供水系统监控主画面图

3.PLC控制程序开发

PLC的程序设计主要就是依据变频恒压供水工艺流程，确保供水管网压力恒定，围绕泵的启与停、变频与工频的切换及变频器工作频率的调整。PLC的程序设计采用模块化编程，即将程序根据功能划分为一定逻辑块，逻辑块以子程序和中断程序方式组织，由主程序进行调度协调。本系统 PLC程序由主程序、初始化子程序、加/减水泵及变频/工频判断切换子程序、故障报警子程序、定时采集和 PID控制中断服务程序模块组成，恒压变频供水系统PLC主程序如图3所示。

图3 PLC主程序流程图

初始化子程序主要完成PID控制参数、变频器上/下频率、定时采集周期进行设置，为节省扫描时间，在主程序中只需在上电时执行一次。在加/减水泵及变频/工频切换子程序中，为避免切换过于频繁，影响设备的性能和寿命，利用 PLC中的定时器进行时间逻辑控制；另外，在用水量最小的情况下，如一台水泵连续运行时间超过 2小时，则应切换到下一台，实现系统“倒泵功能”。故障检测处理子程序主要利用泵的“应有”工作状态与其供水管网流量的内在联系，确定故障位置并进行处理。中断服务程序利用 PLC的定时器，一方面，实现周期性采样管网的流量和压力过程量；另一方面，执行PLC的 PID处理，并输出控制量，调整变频器的输出频率，以实现恒压供水要求。