西門子S7系列PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
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3.5.2安全性
(1)操作安全性的保證措施：
a.對本系統(tǒng)各項(xiàng)功能和每一次操作提供檢查和校核，發(fā)現(xiàn)有誤時(shí)能報(bào)警或撤消。
b.當(dāng)操作有誤時(shí)，能自動(dòng)被禁止動(dòng)作。
c.在人機(jī)通信中設(shè)操作員控制權(quán)口令。
(2)通信安全性的保證措施：
a.系統(tǒng)設(shè)計(jì)可保證信息傳送中的錯(cuò)誤不會導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)鍵性故障。
b.監(jiān)控中心與現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)的通信包括控制信息時(shí)，對有否響應(yīng)作出明確肯定的指示。當(dāng)通信失敗時(shí)，可考慮2～5次重復(fù)通信并報(bào)警。
c.通道設(shè)備上提供適當(dāng)?shù)臋z查手段，以證實(shí)通道正常。
(3)硬件、軟件和固件安全性的保證措施：
a.有電源故障保護(hù)。
b.有自檢能力，檢出故障時(shí)能自動(dòng)顯示報(bào)警。
c.任何硬件和軟件的故障都不會危及系統(tǒng)的完善和人身的安全。
d.系統(tǒng)中任何單個(gè)元件的故障不會造成生產(chǎn)設(shè)備的誤動(dòng)。
4控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程圖如圖2所示。
圖2 供水系統(tǒng)工藝流程圖
4.1單井現(xiàn)地控制系統(tǒng)
單井現(xiàn)地控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地單井的引水，主要由一現(xiàn)地控制柜組成。現(xiàn)地控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、通訊線纜及空氣開關(guān)、交流接觸器、中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈等低壓電氣組成，通過控制柜，實(shí)現(xiàn)單井泵的啟停引水控制。
單井控制單元中的可編程序控制器使用的是S7-222，它以Profibus現(xiàn)場總線與井群現(xiàn)地集中站相連，接收井群現(xiàn)地集中站S7-314的控制信號，完成整個(gè)單井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)啟動(dòng)、停止等信號的邏輯控制。S7-222集成8輸入/6輸出共14個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接2個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至78路數(shù)字量I/O點(diǎn)或10路模擬量I/O點(diǎn)，6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，是具有擴(kuò)展能力的，適應(yīng)性更廣泛的全功能控制器。
單井控制單元的控制柜柜門上布置有電壓表、電流表、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、及手動(dòng)/集中方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，這些設(shè)備有標(biāo)簽標(biāo)記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進(jìn)線電壓；電流表指示電機(jī)運(yùn)行電流；手動(dòng)/集中轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動(dòng)控制或本地集中(遠(yuǎn)程方式)控制的轉(zhuǎn)換；啟動(dòng)、停止按鈕控制水泵的啟動(dòng)、停止，其信號輸入到PLC。水泵啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行指示紅燈亮。具體操作：打開控制柜門，合上空氣開關(guān)然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動(dòng)位置。啟動(dòng)時(shí)按下啟動(dòng)按鈕則水泵電機(jī)運(yùn)行，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時(shí)按下停止按鈕即可，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈滅且電流表回零。
4.2井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)
井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地本組井群5眼水井的統(tǒng)一引水控制，主要由一現(xiàn)地集中控制柜組成?，F(xiàn)地集中控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、無線數(shù)傳電臺、通訊線纜及中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈等低壓電氣組成，通過集中控制柜，實(shí)現(xiàn)本組井群5眼水井泵的集中啟停引水控制。
井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)可編程序控制器使用的是S7-314，它通過Profibus現(xiàn)場總線與單井控制系統(tǒng)PLC相連，發(fā)送單井控制S7-222的控制信號；同時(shí)它通過CP340通訊處理器和無線數(shù)傳電臺FC-201與上位中心控制系統(tǒng)相連，完成整個(gè)井群現(xiàn)地集站的數(shù)據(jù)采集和傳送，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)啟動(dòng)、停止等信號的邏輯控制。
各井群現(xiàn)地集中單元中分別有一控制柜。在控制柜門上布置有一個(gè)電壓表、五個(gè)單井控制單元的電流表、啟動(dòng)按鈕和停止按鈕、以及一個(gè)手動(dòng)/本地集中/遠(yuǎn)程方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，這些設(shè)備有標(biāo)簽標(biāo)記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進(jìn)線電壓；五個(gè)電流表分別指示各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行電流；手動(dòng)/本地集中/遠(yuǎn)程方式轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動(dòng)控制或本地集中控制或遠(yuǎn)程方式控制的轉(zhuǎn)換；各啟動(dòng)、停止按鈕分別控制各個(gè)水泵的啟動(dòng)、停止，其信號輸入到PLC。水泵啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行各自指示紅燈亮。具體操作：打開控制柜門，合上空氣總開關(guān)和各個(gè)水泵的空氣分開關(guān)，然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動(dòng)位置。啟動(dòng)時(shí)按下各個(gè)啟動(dòng)按鈕則各水泵電機(jī)運(yùn)行，這時(shí)各自運(yùn)行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時(shí)按下停止按鈕即可，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈滅且電流表回零。
各井群現(xiàn)地集中單元中控制柜分別有一CP340通訊處理器和無線數(shù)傳電臺FC-201。CP340通訊處理器是串行通訊最經(jīng)濟(jì)，完整的解決方案。它可用在SIMATICS7-300和ET200M(S7作為主站)之中。對下列選項(xiàng)，可采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接：如SIMATICS7和SIMATICS5可編程序控制器;許多其他廠商的系統(tǒng);打印機(jī);調(diào)制解調(diào)器;機(jī)器人控制器;掃描儀條形碼閱讀器等.該模塊有三種形式的傳輸接口:RS232C(V.24)；20mA(TTY)；RS422/RS485(X.27)?？蓪?shí)現(xiàn)若干種標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，允許在各種不同的站上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：ASCII，用于采用簡單的傳輸協(xié)議連接外部系統(tǒng)，如采用起始和結(jié)束字符?；驇K校驗(yàn)字符的協(xié)議可通過用戶程序詢問和控制接口的握手信號；打印機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于在打印機(jī)上記錄下來過程狀態(tài)和事件；3964(R)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的、開放的西門子3964(R)協(xié)議連接到西門子的裝置上或第三方部件上，包括一個(gè)帶有標(biāo)準(zhǔn)值的3964(R)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)可配置的3964(R)驅(qū)動(dòng)器。
4.3井群中心控制系統(tǒng)
井群中心控制系統(tǒng)（如圖3所示）主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地6組井群30眼水井的水廠集中引水控制，主要由一井群中心控制柜組成。井群中心控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、無線數(shù)傳電臺、通訊線纜及按鈕、指示燈等低壓電氣組成，通過中心控制柜，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地井群30眼水井泵的集中啟停引水控制。
井群中心控制單元中使用的是S7-314，它通過一個(gè)CP340通訊處理器和無線數(shù)傳電臺FC-201與六個(gè)井群現(xiàn)地集中單元相連，發(fā)送給井群現(xiàn)地集中單元S7-314控制信號，完成整個(gè)井群中心控制站的數(shù)據(jù)采集和傳送，實(shí)現(xiàn)對水泵電機(jī)啟動(dòng)、停止等信號的邏輯控制。
4.4二泵房控制系統(tǒng)
二泵房控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對城市的變頻恒壓供水。
二泵房共有5臺供水泵組成，其中55KW變頻泵1臺，75KW變頻泵2臺，75KW軟啟泵2臺。
二泵房內(nèi)PLC采用西門子的S7-314可編程控制器，通過Profibus現(xiàn)場總線與上位機(jī)相連，它是泵房內(nèi)控制柜的核心，接收上位機(jī)的控制信號控制變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)啟動(dòng)、停止、復(fù)位等信號的邏輯控制；對壓力、流量、水位、電流、轉(zhuǎn)速等信號的采集和數(shù)值轉(zhuǎn)換；對電機(jī)等設(shè)備的過流、過壓保護(hù)等等。
變頻器采用SIEMENSECO系列變頻器。SIEMENSECO變頻器是SIEMENS公司推出的用于風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的專用變頻器。其主要特點(diǎn)是：
(1)ECO變頻器安裝調(diào)試容易，維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低。由于變頻器的特定功能使其產(chǎn)品的成本降至最小，價(jià)格便宜，降低了整套系統(tǒng)的成本。
(2)ECO變頻器能夠精確地跟隨設(shè)定點(diǎn)，可使系統(tǒng)有更好的性能。
(3)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)采用了標(biāo)準(zhǔn)比例、積分、微分控制的閉環(huán)過程控制，并為反饋傳感器提供了標(biāo)準(zhǔn)電源。
(4)在運(yùn)行噪聲的控制方面采用了自動(dòng)開關(guān)頻率優(yōu)化，從而降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲。
(5)ECO變頻器針對風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能運(yùn)行的需要，設(shè)置了能量優(yōu)化控制程序，為在運(yùn)行中搜尋最小能量消耗點(diǎn)，自動(dòng)升高和降低電機(jī)電壓。當(dāng)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的速度（即加速過程結(jié)束時(shí)）時(shí)通用變頻器即在這個(gè)速度下運(yùn)行，而ECO變頻器此時(shí)開始分析電機(jī)的功率消耗。然后開始微小地升高或降低變頻器的輸出電壓來搜索最佳頻率，即最低的功率消耗。如果ECO變頻器檢測出在升高電機(jī)電壓時(shí)，功率消耗增加了，則變頻器的控制策略（能量優(yōu)化控制程序）就開始降低電機(jī)電壓，以搜索最低的功率消耗水平，如果檢測出在降低電機(jī)電壓時(shí)，功率消耗增加，則升高電機(jī)電壓。這樣就可搜尋到效率最高，功率消耗最小點(diǎn)并在此處運(yùn)行。用這種優(yōu)化節(jié)能程序（典型）可節(jié)約2%～5%的額定容量的電能。
(6)在選擇ECO變頻器時(shí)，不能用它驅(qū)動(dòng)額定功率比它大或者額定功率不足其一半的電機(jī)，否則會影響變頻器的性能甚至造成損壞。變頻調(diào)速的原理非常簡單，由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=120f(1-s)/p式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為電源頻率，Hz；p為異步電動(dòng)機(jī)磁極個(gè)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差。所以，理論上說，只要改變f就能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n。
在設(shè)計(jì)變頻器工作方式時(shí)，設(shè)計(jì)了變頻器有手動(dòng)、自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。手動(dòng)方式時(shí)，可以人工手動(dòng)設(shè)置變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速；自動(dòng)方式時(shí)，具體驅(qū)動(dòng)方式為PLC利用PID控制原理自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率,PID的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值為：
a.測量值：為水廠出水口壓力值；
b.設(shè)定值：為上位機(jī)水廠出水口壓力設(shè)定值；
c.P、I、D參數(shù)值：為系統(tǒng)人工整定或自整定值。
系統(tǒng)根據(jù)PID控制回路的輸出控制信號，自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率來自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水廠出水口壓力，使其始終穩(wěn)定在設(shè)定壓力附近。
泵房手動(dòng)控制分為兩種情況：軟啟動(dòng)器控制、變頻調(diào)速控制，其中1、號泵為55KW變頻泵變頻調(diào)速控制；2、3號泵為75KW變頻泵變頻調(diào)速控制；4、5號泵為75KW軟啟泵軟啟動(dòng)器控制。每個(gè)水泵各有單獨(dú)的控制柜。
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