基于S7-1200 PLC的变频调速恒压供水系统.doc

基于S7-1200 PLC的变频调速恒压供水系统第26卷第2期2011年6月青岛大学(工程技术版)JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T)VoI.26NO.2Jtin.2011文章编号:10069798(2011)02一O01805基于S71200PLC的变频调速恒压供水系统王兵,徐淑华(青岛大学自动化工程学院,山东青岛266071)摘要:针对现代社会对恒压供水的需求,设计恒压供水系统.系统采用西门子最新面向市场的s71200PLC进行逻辑控制,利用西门子变频器MM440进行压力调节.变频器和PLC作为系统控制的核心部件,时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化,经变频器内部PID运算,通过s71200PLC控制变频与工频切换,自动控制水泵投人的台数和电机转速,实现闭环自动调节恒压变量供水,在保持恒压下达到控制流量的目的.运行结果表明,该系统具有压力稳定,结构简单,工作可靠等特点,基本满足设计要求.关键词:s71200PLC;恒压供水;变频器;PID中图分类号:TP273;TU991.62文献标识码:A随着对住宅小区和企事业单位供水质量要求的不断提高,传统的水塔式供水方式和直接水泵加压等供水方式不同程度的存在效率低,可靠性差,自动化程度低等缺点,难以满足当前经济生活的需要.同时,由于用户用水在高峰和低谷时用水量相差很大,不利于设备的经济运行,降低了供水设备尤其是电机的使用寿命,浪费了大量的电能J.当前,随着可编程序控制器(PLC)技术的发展,由于其高可靠性,高性价比,广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能,PLC在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用.同时,交流异步电动机变频调速技术的日益成熟,与以往任何调速方法相比具有节能效果明显,调速过程简单,起动性能优越,自动化程度高等许多优点.因此,将PLC及变频器应用于供水系统,可满足城市供水系统对可靠性,稳定性,经济节能性的要求.恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速,依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定,以满足用水要求是当今先进,合理的节能型供水系统.采用PLC和变频器等现代控制设备和技术实现恒定水压供水,是供水领域技术革新的必然趋势.本文以一个小区的变频恒压供水设备为例,设计的变频调速恒压供水系统以其有效的实用性,彻底解决了上述问题,是一项颇有实用价值的调速系统,可为已有的供水系统技术改造提供切实可行的途径.1恒压供水系统组成及工作原理恒压供水系统框图如图1所示,整个系统主要是由1台变频器,1台PIC,4台水泵,数个电磁阀,接触器和液位传感器,压力传感器等组成.其中,PP.为加压泵,用于向用户管网加压供水,功率分别为lO,8,6kW,P为排污泵,用于将泵房内污水池中的污水排出,功率为12kW,此泵不通过PLC和变频器,而是采用液位自动控制其启动和停止;VV.都是阀门,VV.及V.为手动进水阀门,平常供水时为打开状态,只有在检修时才会关闭.VV为止回阀,防止水管中的水倒流,V和V为出水阀门;蓄水池内的液位传感器,可以实时检测水位的高低,把信息传送给PLC,PLC与上位机通讯,实现实时监控.系统设有选择开关,可选择系统在自动和手动状态下工作,当选择手动状态时,分别通过按钮控制3台泵单独在工频下运行与停止,这主要用于定期检修临时供水;当选择自动状态工作时,PLC首先利用变频收稿日期:20110317作者简介:王兵(1985一),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统及其自动化.通讯作者:徐淑华,女,教授,主要研究方向为电1二新技术.第2期王兵,等:基于S71200PLC的变频调速恒压供水系统19图1恒压供水系统框图器启动P加压泵,此时安装在管网上的传感器将实测的管网压力反馈进变频器,与预先通过变频器面板设定的给定压力进行比较,通过变频器内部PID运算,调节变频器输出频率.在用水量较大时,若变频器输出频率接近工频而管网压力达不到压力设定值,PLC将当前工作的变频泵P由变频切换到工频下工作,并关断变频器,再将变频器切换到P加压泵,由变频器软起动该泵,实现1台工频1台变频双泵供水.假若变频器输出频率接近工频而管网压力仍旧达不到压力设定值时,则PLC将当前工作的变频泵P由变频切换到工频下工作,并关断变频器,再将变频器切换到P.加压泵,由变频器软起动该泵,实现2台工频1台变频3泵供水.随着用水量的减小,变频器输出频率下降,当降至频率下限,而压力仍能达到压力设定值时,PLC将工频工作泵P切除,由工频工作泵P和变频工作泵P供水;若水量继续减小,PLC就继续将工频工作泵P切除,最后只有变频工作泵P供水.系统无论单泵变频工作,还是双泵l台工频,1台变频工作,或是3泵2台工频,1台变频工作,始终控制管网压力与给定压力值保持一致,实现恒压变频供水.2系统硬件设计与选型2.1PLC硬件设计与选型在本设计中,加压泵PP3可变频工作,也可工频工作,需PLC的6个输出信号控制.变频器的运行与关断由PLC的1个输出信号控制;蓄水池水位过低和过高,压力传感器的上限压力和下限压力,声响报警分别占用PLC的4个输入点和1个输出点;加压泵PP.的过载信号进PLC的3个输人点;变频器极限频率的检测信号占用PLC的1个输入点;有紧急情况和发生供电相序故障等,需要紧急停转时,系统设有一个急停按钮,占用1个PLC输入点;为控制整个系统全线停转,系统分自动和手动工作方式,由1个选择开关控制,选择开关连接PLC的1个输入点.在整体的系统控制任务及控制方案中,PLC选用德国西门子公司的SIMATICS71200.作为西门子新一代的可编程控制器,s71200定位在原有的SIMATICS7200和SIMATICs7300产品之间,在继承了S7系列PLC卓越的性能和强大的网络通信功能外,S71200有了比S7200更加灵活的设计以及更多可供升级的软硬件.S71200涵盖了S7200的原有功能,并且新增了许多功能,使用灵活,设计紧凑,成本低廉,可用于控制各种各样的设备以满足自动化需求,并且具有功能强大的指令集.s71200的CPU可内嵌一块信号板,为控制器添加数字量或模拟量输入,输出通道,从而在不改变体积的情况下量身定制20青岛大学(工程技术版)第26卷CPU;其模块扩展能力也得到了提高,最多可扩展8个信号模块,以及3个通信模块,而s7200通信模块和信号模块一共才可扩展7个;CPU还集成了实时以太网PROFINET接口,此接口不但可用于编程调试,HMI及PLC间的通信,还支持开放的以太网协议,可与第三方设备进行通信.这些优势的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案,这也是本设计选择S71200的主要原因.2.2传感器硬件设计与选型控制系统中,安装在管网上的压力传感器是一个很关键的部件,其精度高低直接关系到控制的快速响应性.系统选用YTZ一150型带电接点式的压力传感器,其水压检测范围为01MPa,检测精度为0.01MPa.该传感器将01MPa范围的压力对应转换成010V的电信号,反馈进变频器,作为压力反馈.该传感器比碳膜式的传感器可靠性好,价格便宜.还可以设定水压的上,下限压力值,上,下限压力值分别设在给定压力值上下两侧与给定压力略有偏差处.当管网压力处于上,下限位置,传感器分别输出开关信号进PLC的2个输入点,与变频器的极限输出频率检测信号一起,通过PLC控制泵的变频与工频切换以及工频工作泵的切除.2.3变频器硬件设计和选型西门子MM4系列不同的变频器提供了不同的控制器,如MM420为PI控制器;MM430和MM440为PID控制器,具有PID微调等功能.MM420一般应用在传送机,风机,水泵等控制性能较低的小功率的场合;MM430多适合用于风机水泵类平方转矩负载用;MM440用于矢量控制,可以实现高性能的应用,带内置制动单元,可以快速制动.MM440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器,其控制方式灵活多样,模拟与数字的输入输出加速与减速的斜坡函数可编程,具有快速电流限制功能,避免频繁跳闸现象,集成斩波器配合制动电阻实现快速复合制动功能.MM440具有15倍以上的抗过载能力且有过压,欠压,过温,短路等保护功能,还有保护电机过热,PTC过热,电机失速等负载电机的保护功能I3.因此,本项目选择MM440作为传动装置的驱动设备.该变频器基本配置中带有PID功能,通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值,压力传感器反馈来的压力信号(0-10V)接至变频器的辅助输入端FI和FC,作为压力反馈,变频器根据压力给定和实测压力,调节输出频率,改变水泵转速,控制管网压力保持在给定压力值上.其PID控制示意图如图2所示.图2PID闭环控制框图在确保控制电路接线正确的情况下,合上电源设置MM440参数,首先设置P001030,P0970:1,然后按下P键,使变频器设置恢复到出厂默认值,再按表1所示设置各项参数.3系统软件设计STEPBasicV10.5界面如图3所示.由图3可知,S71200的编程工具STEPBasicV10.5直观高效,上手容易,使用简单,有着比S7200的编程工具MicroWINV4.0无法比拟的功能和特点.其库的应用可以非常容易地使用项目单元;在集成的工程框架(PLC,HMI)中编辑器之间可以进行随意智能的拖拽;有着共同数据存储和统一的符号(单一的入口点);设备和网络可以在一个编辑器中进行清晰的图形化配置;最重要的一点是可以同时组态控制器和屏,这就相当于把WinCC和WinCCflexible的组态功能集中在STEPBasic中,这样就能快速高效地完成工程组态任务.第2期王兵,等:基于S71200PLC的变频调速恒压供水系统21表1变频器参数设置表参数号出厂默认值设置值参数号出厂默认值设置值P000311P000311POO04o7P000401oP070022P100022POOO312P000312P0004o1oP0004o10P0701117P100101oP0702117P100253OPO70319P10031o50图3STEPBasicV10.5界面当选择开关打到自动位时,PP.泵可以交替在变频,工频下工作,在梯形图的程序设计中对输出点进行互锁,防止变频器同时拖动2台或是3台水泵,损坏变频器或是引起其他事故.根据系统T作状态,经过相应逻辑判断,可实现故障自诊断,该系统可诊断出的故障为:PP.泵的过载与损坏,蓄水池水位过低,供电故障,这些故障可以通过相应的指示灯,声响进行报警显示,并可自动停止工作,实现系统自我保护,该系统的整个设计流程图如图4所示.22青岛大学(工程技术版)第26卷图4系统设计流程图4结束语本文的整个系统控制采用最新的s71200PIC,压力调节采用带PID控制的西门子MM440变频器,系统压力恒定,具有较好的控制效果.在实际运行中,稳压值可以根据用户实际需要进行任意设定,很好地满足用户用水.该系统采用变频器调节水泵转速,实现了高效节能,同时由于采用变频器对电机实行软起动,减少了设备损耗,延长了水泵,电机设备的使用寿命.运行结果表明,采用s71200PLC和西门子MM440变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统,具有很强的实用性,为供水领域的技术革新,开辟了切实有效的途径.参考文献:1李贵生.基于PLC的恒压供水自动控制系统的设计J.山西建筑,2008,34(26):189190.2西门子自动化与驱动集团.深入浅出西门子s71200M.北京:北京航空航天大学出版社,2009.33西门子自动化与驱动集团.MICROMASTER440通用变频器使用手册EM.北京:北京西门子(中国)有限公司,2003.4西门子自动化与驱动集团.MIcR0MAsTER4400.12kW一25okw使用说明书M.北京:西门子电气传动有限公司,2003.(下转第27页)第2期张秀秀,等:安全套包装机控制系统的设计27C0ndomPackagingMachineControlSystemZHANGXiuxiu,WANGZhengyan,HANZhuoyu(c.11ege.fAutati.n,Qingda.University,Qingda.266071,chAbstract:Thispaperintr.ducesthec.nd.mpackagingmachinecontrolsyst.musedT1tomnt的一maticc.nd.mpackaginganditsc.ntr.1.Thec.ntr.1systemiSbed.nhe0m?cprogra.mmlngwhichinv.lvesthepneumaticc.ntr.lsystem,humanc.mputerinterfacedesign,ndPnj.p.ntro1.Itachievesaut.mati.n.fthepackagingmachinesystemandachievesh.p.h.m.p:erati.nm.nit.ringandmaintenancethr.ughthemanmachineinterface?Thesymu.nPL:ditn.t.nlyis.fhighreliability,l.wc.st,simple.perati.n,buta1s.imp.p.d.tty,m.tth.needsoflarge-scalepr.ducti.n,withgoodec.nomicandsoctalbenefits.Kevwords:PLC;packagingmachine;controlsystem(从第22页转来)SystemDesignofVConstantPressureariable.FrequencySpeedGoverningandWaterSupplyBasedonS71200PLCWANGBing,XUShuhua(c.l1ege.fAutomati.nEngineering,Qingda.UniVersity,Qingda.266O71,china)Abstract.Accordingtothedemandofconstan,tpdress7sure2w.atPerLcsuwpphliy.hinimodernsociety.,aconstantpres:surewatersupplysystemwasintroduced.h儿thelatestproductsin>lemenst:.:essthelogiccontrolandemployedSiemensMM44.一toadjustw,ater,pr.ess.urFrequencyco