基于FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

蔣興加

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

基于FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

蔣興加

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

基于供水系統(tǒng)性能和工藝要求及智能建筑內(nèi)在需求，利用IPC、PLC和變頻器為核心構(gòu)建恒壓供水FCS，不僅確保有關(guān)設(shè)備、工作參數(shù)和工藝流程有機(jī)協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測的自動化、智能化和信息化，并實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保及延長設(shè)備壽命。尤其通過引入以太網(wǎng)和FCS監(jiān)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮集中管理、集中操作和分散控制的優(yōu)勢，顯著提升系統(tǒng)安全性、可靠性、高效性、實用性，也為智能建筑的物業(yè)信息化管理奠定了良好基礎(chǔ)。

FCS；恒壓供水；變頻器

（一）引言

變頻器是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，以優(yōu)異的調(diào)速性能、高效率、高功率因數(shù)、寬廣的運用范圍及顯著的節(jié)能效果，得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)場總線是一種用于自動化底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)，是一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多點網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；由現(xiàn)場總線構(gòu)筑的 FCS系統(tǒng)因具有分散性和集中性、自治性和協(xié)調(diào)性、靈活性和擴(kuò)展性、先進(jìn)性和繼承性、可靠性和適應(yīng)性、友好性和新穎性等一系列特點和優(yōu)點而廣泛應(yīng)用。

供水系統(tǒng)的高效、可靠運行與人們的生活密切相關(guān)，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，從早期的水塔供水，進(jìn)入到高性能的變頻恒壓供水。盡管變頻恒壓供水具有節(jié)能、運行工藝安全可靠、延長設(shè)備壽命等優(yōu)點，但隨著智能建筑的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的變頻恒壓供水系統(tǒng)成為智能建筑弱電集成系統(tǒng)的信息“孤島”，制約了現(xiàn)代物業(yè)管理的信息化水平，為此，引入通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計基于工業(yè)以太網(wǎng)的恒壓供水系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

（二）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在恒壓供水系統(tǒng)中，應(yīng)對供水系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備工作狀態(tài)和參數(shù)實時監(jiān)測、控制、報警處理，并實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，同時需要把參數(shù)和狀態(tài)上傳到監(jiān)控計算機(jī)，以實現(xiàn)集中管理和控制。系統(tǒng)主要測試的參數(shù)有供水管道出口壓力、管道流量、蓄水池水位，對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動數(shù)據(jù)采集、處理、分析、控制、顯示、查詢和打印，實現(xiàn)設(shè)備的自動監(jiān)測管理，提高管理水平和工作效率。

根據(jù) FCS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計的原則、系統(tǒng)的工藝和性能的需求指導(dǎo)系統(tǒng)硬件的設(shè)計工作，為系統(tǒng)良好、可靠、高效地工作奠定堅實的基礎(chǔ)，下面主要從系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)工作原理和主要設(shè)備選型三方面進(jìn)行簡要說明。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計

為確保系統(tǒng)工作的高可靠性以及考慮系統(tǒng)調(diào)試的需要，所設(shè)計的 FCS系統(tǒng)采用雙方案方式，即操作站工作方案和傳統(tǒng)的 PLC工作方案，以操作站工作方案為主。當(dāng)操作站或網(wǎng)絡(luò)通訊故障時，PLC控制系統(tǒng)工作方案投入工作，為及時處理突發(fā)事件，以及為配合恒壓供水系統(tǒng)的實際調(diào)試工作，在PLC的控制方案中，引入了恒壓供水工藝流程的完全手動控制方式。

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻控制柜、壓力傳感器、水泵、供水管網(wǎng)等設(shè)備組成，變頻控制柜由變頻器、斷路器、接觸器和控制器等設(shè)備組成；FCS主要由操作站（工程師站）、控制站和現(xiàn)場設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)組成。變頻供水的變頻器、水泵機(jī)組、接觸器、傳感器、變送器視為FCS系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備，其控制器視為 FCS的控制站，操作站選用高性能的工控計算機(jī)。通訊網(wǎng)絡(luò)分為底層控制網(wǎng)、系統(tǒng)網(wǎng)和監(jiān)控網(wǎng)，控制網(wǎng)用于控制站和現(xiàn)場設(shè)備的互聯(lián)，采用傳統(tǒng)的模擬信號；系統(tǒng)網(wǎng)用于控制站和操作站的互聯(lián)，采用 PROFIBUS-DP總線；監(jiān)控網(wǎng)采用以太網(wǎng)，實現(xiàn)智能建筑信息共享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在所設(shè)計的 FCS系統(tǒng)中，一方面，確保恒壓供水系統(tǒng)正?？煽窟\行；另一方面，充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運算、處理、圖形顯示和通訊功能，及時監(jiān)控系統(tǒng)的工作參數(shù)和工作狀態(tài)，也為智能建筑物業(yè)信息化管理提供了良好的平臺。

2.系統(tǒng)的工藝流程

系統(tǒng)的控制原理參見圖1。壓力傳感器將用戶管網(wǎng)水壓信號變成電信號（4mA-20mA）送給PLC的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端，經(jīng)過PLC程序數(shù)據(jù)處理后，執(zhí)行PLC中的PID指令，PID根據(jù)壓力設(shè)定值與實際檢測值進(jìn)行PID運算，輸出控制量，經(jīng)PLC的D/A輸出模擬信號給變頻器的外部輸入控制端，通過變頻器輸出電源控制水泵電動機(jī)的電壓和頻率，調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量來調(diào)節(jié)供水管網(wǎng)的壓力。

當(dāng)用水量較少時，1#泵在變頻器控制下變頻運行。如用水量加大，壓力傳感器在供水管網(wǎng)端測的水壓偏小，則變頻器輸出頻率上升，直到上限頻率50Hz，這時1#泵由變頻切換為工頻運行狀態(tài)。同時系統(tǒng)對2#泵進(jìn)行變頻起動和調(diào)節(jié)。如果兩臺泵供水仍不能滿足供水要求，則系統(tǒng)將2#泵投入工頻進(jìn)行，將3#泵投入變頻運行。

如用水量減少，變頻器的頻率會下降。當(dāng)變頻器頻率下降至下限值30Hz時，PLC將最先工頻運行的水泵停掉，如果頻率下限值仍持續(xù)出現(xiàn)，PLC再停止第2臺工頻運行的水泵。系統(tǒng)按先開起的泵先切除的順序逐臺切換泵，以維持管網(wǎng)水壓恒定；同時實現(xiàn)“倒泵功能”，延長水泵壽命。

FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)，首先利用操作站進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置和發(fā)布起動命令；其次，通過執(zhí)行 PLC控制程序，按照一定規(guī)則改變水泵機(jī)組投放和切除，在變頻器的配合下，實現(xiàn)水泵的軟起動；其三，變頻器在 PLC的控制下輸出所需頻率和電壓的交流電給變頻水泵機(jī)組；其四，操作站除實現(xiàn)人機(jī)監(jiān)控、報警和報表等功能外，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

3.主要設(shè)備選型

根據(jù) FCS恒壓供水系統(tǒng)的組成方案和工藝要求及所需的數(shù)字量、模擬量輸入輸出通道等情況進(jìn)行設(shè)備選型工作。操作站選用 IPC-610型工控機(jī)，為實現(xiàn) DP組態(tài)，配置具有PROFIBUS—DP接口的網(wǎng)卡 CP5611?？刂破鬟x用西門子的S7-200系列的CPU224PLC，具有14輸入/10輸出，并擴(kuò)充具有4個模擬量輸入和1個模擬量輸出通道的EM235模塊和具有PROFIBUS-DP接口的EM277模塊。MM440系列變頻器是西門子公司結(jié)合諸多先進(jìn)的生產(chǎn)制造工藝推出的高性能矢量變頻器，具有很寬的功率范圍、優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性、完整的保護(hù)功能、較高的可靠性、較小的體積、靈活的編程能力以及可選的 PROFIBUS-DP接口模塊，本系統(tǒng)選用西門子MM440變頻器。

（三）FCS軟件開發(fā)

1.軟件開發(fā)概況

FCS控制系統(tǒng)，應(yīng)確保實時性、可靠性、可維護(hù)性、過程量采集和輸出、人機(jī)交互、通信功能、信息處理和算法優(yōu)化等要求，為此在軟件開發(fā)時，應(yīng)充分從系統(tǒng)的工藝性能、功能基本要求及特點出發(fā)，以滿足系統(tǒng)高性價比的目標(biāo)。

FCS軟件開發(fā)分為控制站的 PLC程序開發(fā)和操作站的監(jiān)控程序開發(fā)兩部分內(nèi)容，由于組態(tài)軟件具有直接讀寫PLC、圖形和動畫直觀呈現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信息、對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和數(shù)字運算、對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲、可將運行狀況及各類數(shù)據(jù)實現(xiàn)報表及報警處理、為用戶提供腳本語言編寫特定模塊等強(qiáng)大功能，為了提高開發(fā)效率和系統(tǒng)工作可靠性，操作站選用西門子WINCC6.0組態(tài)軟件。WINCC是西門子公司在自動化領(lǐng)域采用最先進(jìn)的技術(shù)與微軟公司共同開發(fā)的工控軟件，是基于32位的Windows人機(jī)界面（HMI）監(jiān)控軟件，也是一個功能強(qiáng)大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC集成了圖形系統(tǒng)、報警信息系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用接口等功能，WINCC生成友好的人機(jī)對話接口，使操作員能夠清晰管理和優(yōu)化工作過程。S7-200PLC開發(fā)平臺選用 STEP7Micro/WIN 32V4.0編程軟件。

2.操作站軟件組態(tài)

利用操作站W(wǎng)INCC6.0組態(tài)軟件可對控制器及設(shè)備的工作參數(shù)和工作狀態(tài)實現(xiàn)全面監(jiān)視和控制，要求程序及畫面能夠直觀地顯示各個工藝參數(shù)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)；鑒于工業(yè)控制的特點，要能在畫面上直觀地看出工藝參數(shù)的趨勢走向，便于進(jìn)行分析、采取相應(yīng)的操作及控制策略；為便于管理者的監(jiān)管，要有歷史數(shù)據(jù)庫，同時，對主要的工藝參數(shù)進(jìn)行報警監(jiān)控，以便及時處理生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題；另外，還要能對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、打印，利用通信，為管理部門提供所需數(shù)據(jù)。因此，操作站實現(xiàn)主要功能包括：動態(tài)流程圖、動態(tài)數(shù)據(jù)、趨勢曲線畫面顯示功能，以及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理、控制調(diào)節(jié)、報警、數(shù)據(jù)通訊、打印等功能。

WINCC6.0組態(tài)軟件的應(yīng)用組態(tài)主要步驟為：其一、將所有IO點的參數(shù)及標(biāo)識整理齊全，并以表格的形式保存，以便在組態(tài)軟件組態(tài)和PLC編程時使用。其二、明確所使用的IO設(shè)備的生產(chǎn)商、種類、型號，使用的通信接口類型，采用的通信協(xié)議，以便在定義IO設(shè)備時做出正確配置。其三、根據(jù)工藝過程繪制、設(shè)計畫面結(jié)構(gòu)和框架。其四、建立實時數(shù)據(jù)庫，組態(tài)各種變量參數(shù)，并定義數(shù)據(jù)連接。其五、制作實時、歷史趨勢曲線以及報警顯示和報表功能。其六、對組態(tài)及系統(tǒng)進(jìn)行分段和總體調(diào)試，進(jìn)一步完善用戶需求和系統(tǒng)功能。

操作站的監(jiān)控畫面主要包括：FCS恒壓變頻供水系統(tǒng)主畫面、趨勢圖和報警畫面。

1）主畫面 系統(tǒng)主畫面是系統(tǒng)的總貌圖，操作員可觀看系統(tǒng)總體運行情況和各種狀態(tài)，了解各個設(shè)備的運行情況，在畫面上主要顯示設(shè)備的開關(guān)量信號及主要參數(shù)，其主畫面如圖2所示。

2）趨勢圖 主要包括實時趨勢和歷史趨勢，過程數(shù)據(jù)首先由組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫處理和保存為歷史數(shù)據(jù)庫，然后由界面系統(tǒng)的趨勢曲線顯示和分析。利用實時趨勢圖不僅可以監(jiān)測各變量的當(dāng)前值，還可以通過曲線變化情況來監(jiān)測變化的趨勢，從而可對出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時處理。

3）報警畫面 報警是在控制過程出現(xiàn)問題時，及時發(fā)出警告，指導(dǎo)操作人員根據(jù)報警情況作相應(yīng)處理，并通過事件記錄，掌握狀態(tài)變化和操作人員活動情況。

圖2 FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控主畫面圖

3.PLC控制程序開發(fā)

PLC的程序設(shè)計主要就是依據(jù)變頻恒壓供水工藝流程，確保供水管網(wǎng)壓力恒定，圍繞泵的啟與停、變頻與工頻的切換及變頻器工作頻率的調(diào)整。PLC的程序設(shè)計采用模塊化編程，即將程序根據(jù)功能劃分為一定邏輯塊，邏輯塊以子程序和中斷程序方式組織，由主程序進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)。本系統(tǒng) PLC程序由主程序、初始化子程序、加/減水泵及變頻/工頻判斷切換子程序、故障報警子程序、定時采集和 PID控制中斷服務(wù)程序模塊組成，恒壓變頻供水系統(tǒng)PLC主程序如圖3所示。

圖3 PLC主程序流程圖

初始化子程序主要完成PID控制參數(shù)、變頻器上/下頻率、定時采集周期進(jìn)行設(shè)置，為節(jié)省掃描時間，在主程序中只需在上電時執(zhí)行一次。在加/減水泵及變頻/工頻切換子程序中，為避免切換過于頻繁，影響設(shè)備的性能和壽命，利用 PLC中的定時器進(jìn)行時間邏輯控制；另外，在用水量最小的情況下，如一臺水泵連續(xù)運行時間超過 2小時，則應(yīng)切換到下一臺，實現(xiàn)系統(tǒng)“倒泵功能”。故障檢測處理子程序主要利用泵的“應(yīng)有”工作狀態(tài)與其供水管網(wǎng)流量的內(nèi)在聯(lián)系，確定故障位置并進(jìn)行處理。中斷服務(wù)程序利用 PLC的定時器，一方面，實現(xiàn)周期性采樣管網(wǎng)的流量和壓力過程量；另一方面，執(zhí)行PLC的 PID處理，并輸出控制量，調(diào)整變頻器的輸出頻率，以實現(xiàn)恒壓供水要求。

（四）結(jié)論

在供水系統(tǒng)中引入FCS變頻恒壓控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)節(jié)能的同時，使系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，啟動電流小，避免了電機(jī)啟動時對電網(wǎng)的沖擊，延長了泵和閥門等的使用壽命；并且綜合了計算機(jī)、PLC和變頻器各自的優(yōu)點，實現(xiàn)系統(tǒng)高度協(xié)調(diào)和有效控制，不僅提升供水的質(zhì)量和工作效率，也為智能建筑物業(yè)管理信息化奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] 蔣興加,姚彩虹,等.現(xiàn)場總線變配電系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用設(shè)計[J].低壓電器,2007,(10):44-45.

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1008-1151(2011)05-0133-02

2011-01-28

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研經(jīng)費資助項目（編號：2010-KY12）

蔣興加（1969－），男，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系副教授。