第九卷
7
CAMETA
0 引  言
随着社会经济的飞速发展，人们对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。在居民小区生活用水、工业用水、各类自来水厂等供水系统中，原来均是采用水塔、高位水箱等设备，这些设备不但占地广、投资大，能耗高、而且越来越不能满足现代化的供水要求。变频调速技术是一种新型的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。数据采集监控系统SCADA （Supervisory Control and Data Acquisition）具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大，具有操作方便简单、界面友好、编程易掌握、与PLC通讯良好等优点。我们采用德国西门子公司的
西门子S7－200 PLC与SCADA软件WinCC相结合，设计出变频恒压供水系统，可以取得较好的恒压供水效果。
1 控制系统硬件构成与恒压控制原变频器恒压供水
理
1.1 控制系统硬件构成设计
  控制对象是某校区供水系统，根据校区的实际用水情况，白天用水量大，需开动一台大泵和一台小泵，就能满足生产需要。晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要。因此采用一大一小两台水泵，用二台变频器控制水泵电机。控制器硬件电路图如图1所示。
  中心控制器采用德国西门子公司的S7-226 P L C （24I /16O ），可满足系统对数字开关量的要求。系统采用两只量程为0~1.0Mpa由两台FT-1压力传感器分别检测两台水泵后的输水管道的压力，压力变送器将检测到的压力信号转换
为4~20mA的电流信号，送到PLC的模拟量输入模板EM231，通过PLC的PID运算，由模拟量输出模块EM232板输出4~20mA的电流到变频器频率给定接口，通过改变水泵电机运行频率从而调整管网压力。
  考虑到电机性能上的差异及机械负载的不相同，变频器容量应是电机容量的1~2倍。另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电机的轴上功率，据此确定变频器容量。本设计中采用西门子公司提供的5SE92系列变频器，为使PLC与变频器成功通讯，应对变频器有关参数如运行模式和加减速时间等参数在变频器通讯板上进行正确设定。上位机数据采集与监控系统采用西门子公司的WinCC在上位计算机上安装好通讯处理卡CP1612后，通过通讯卡上RS-485接口与PLC上的通讯卡CP243-1通讯，此时PLC与上位机构成工业以太通讯网络，完成上位机与PLC之间的数据交换。1.2 恒压控制原理
我们知道水流量Ｑ与水泵电机的转速成正比，而压力与转速的平方成正比。变频器的升降速率随时间是线性变化的，对以水压为参变量的闭环控制
西门子PLC和WinCC SCADA 在变频恒压供水系统中的应用
陈怀忠
（浙江工业职业技术学院， 浙江 绍兴 312000）
摘  要: 针对现代社会对恒压供水的需求, 提出了利用西门子组态软件WinCC, PLC构成SCADA系统在变频恒压供水系统中的应用设计方案。介绍了变频恒压供水工作原理，WinCC通讯组态技术，以及PLC硬件和软件实施方案。
关键词: PLC; WinCC; 变频调速; 恒压供水
图1
控制系统硬件结构图
变频与工控专栏
供水系统，若变频器速度随时间的曲线变化，则水压变化与升降速时间是线性关系，这样有利于系统的稳定。
根据供水量情况，把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在0~50Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相电压成正比，即与变频器输入频率成正比。恒压供水就是利用变频器的PID实现的工业过程的闭环控制。将管网压力信号（4~20ｍＡ）直接输入到PLC中，由PLC与用户设定的压力值进行比较，并通过PLC内置PID运算，将结果转换为频率调节信号，调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加泵，实现恒压供水。
2 工控组态软件WinCC的设计
  工控组态软件WinCC是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理（SCADA）系统。WinCC 是Windows Control Center (视窗控制中心)的简称。它集成了SCADA、 组态、脚本语言和OPC等先进技术，提供了适用于工业的图形显示、消息归档、以及报表等功能模块。
首先创建通讯驱动程序：建立S7-200与WinCC 之间的通讯。其次建立变量标签：每个标签需要对每个变量的标签名，数据类型，地址进行设置。最后 建立过程画面。 使用WinCC中的图形编辑器可以绘制各种元素和图形。该控制系统画面主要有主画面、参数设置、供电回路、实时曲线、报表统计、历史记录查询、故障报警等画面组成，在上位机上可以显示各个电机的电流、频率、水位、水压、工频和变频运行的时间以及各泵的运行状态等参数。
建立好WinCC和PLC的通讯联系后，PLC 上的事件顺序将是可视和可操作的。组态软件画面主要由以上七块组成。在实际运行中为了防止有人误操作而对系统产生伤害，我们对不同的操作者的权限作出规定，对不同的操作人员设定不同的操作密码和相应的操作权限，这样可以有效防止有人误操作而对系统产生伤害。
3 PLC软件设计
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及管网的压力信号和水池水位信号，判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器、继电器和变频器等器件，以完成相应的控制任务。PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7 MOCRO/WIN32  V3.1软件编程，整个PLC工作流程如图2。
图2
PLC工作流程图
3.1 系统初始化程序设计
  在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量(管网压力、液位等)数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。
3.2 运行方式程序设计
  该系统具有手动和自动两种运行方式，手动方式只在系统出现故障和调试时使用。选择自动运行时，开始启动真空泵抽真空，如果满足要求，则1＃泵变频交流接触器吸合，电机和变频器连通，同时打开1＃泵的电磁阀，通过检测压力的大小，PLC经过PID运算，此时变频器的输出频率从0Hz开始上升，如果实际压力太小，调整1＃泵电机频率，当频率调整到50Hz，供水仍不足以使△p=0，则该台变频泵切换为工频，如果压力继续不够，则将1＃泵切换到工频，再启动2＃泵，依次类推，直到出水压力达到设定压力。如果实际压力过大，逐渐降低本台水泵电机频率，如果频率降低到5Hz仍不足以使压力差△p=0，则关闭上次转换成工频的水泵，再进行调整，这样每台水泵都在工频和变频之间切换，做到先开先停，后开后停。
3.3 PID调节子程序设计
本设计中，PID调节子程序设计是取得恒压
82006年第四期
第九卷
9
CAMETA
人值守，进行安全、优质、高效、低耗供水，推动了供水技术前进。还有一点要指出的是，水泵站的变频调速是整个监控系统的一个重要的设备之一，它的通讯功能必须接受网络监控的性能，除了接受水泵站的监控，也要接受这方监控总中心的监控，必须具有远程I/O接口。
  特别要指出的是变频调速不是单一进行的，与整个水厂工艺流程，乃至整个城市的供水优化调度有不
可分割的流程监控关系。采用西门子自动化技术，采用西门子G150及SIMOVERT MV IN TIA装置。可以做到三个在网络上的监控统一：一是统一编程，将驱动工具集成到SIMATIC管理器中，通过SIMATIC，可统一网上任何点上的计算机界面和操作环境。二是可做到统一数据储存管理。三是统一
通讯方式。
在变频器的电压选择中，小于500kW的水泵机组要尽量选用低压等级的变频器，500kW至1000kW 的水泵机组可选用690V的三电平变频器。大于800kW以上的水泵机组可选用2.3/3.3/4.16/6.0/6.6kV 等系列的变频器，不同电压等级的西门子电动机在国内已能组装生产，客户没有后顾之忧。就是中压型的变频器，也要尽量造用耐压等级高的高可靠性的中压IGBT元件，SIEMENS/EUPEC生产的中压IGBT的功率半导体是全球最优的元件之一，用来组建整流侧和逆变侧的直流回路，无需限流电控器，具有短路保护，触发器数目很少，无缓冲/吸收电路，模块化结构紧凑，维修方便，可靠性更高，希望西门子等公司推出价格比更高，更符合中国国情的变频装置。□
（上接第6页）
供水较好效果的关键。PID控制是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由PID控制器和被控对象组成，具有一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。PLC将泵实际压力其与水压设定值比较后经内部PID运算，得出控制量，由PLC输出PWM信号，再经低通滤波，后作为变
频器所需的控制电压改变泵电机转速，最终调节管网压力。PID闭环反馈控制原理如图3：
  在S7－200 PLC中，编程软件提供了PID指令向导，指导使用者定义一个闭环控制过程的PID算法，该算法程序由编程软件自动插入到主程序中。在PID子调用程序中，PID的组用户通过在PID指令向导中指定PID回路参数表(Table )中的各项参数，然后执行相关的指令即可使用PID控制。
3.4 通讯功能扩展控制
在恒压供水监控系统中，供水站各种运行参数需要传送给上一级调度中心，而调度中心有时也需要向供水站变电站发出一些控制指令。我们可以用PLC上的通讯口Port1实现这一目标。该通讯口可以将S7-226 CPU连接到PROFIBUS-DP 现场总线网络上，与上一级调度中心的上位机构成数据采集监控系统。这样就能把控制结果向上级调度中心汇报，也允许调度中心对控制装置控制目标进行灵活设定。
4 结论
  在供水系统中采用基于西门子PLC与数据采集监控软件WinCC设计的变频恒压供水系统，可以根据实际需要水压的变化自动调节水泵的转速，实现恒压供水。运行结果表明，系统节能效果显著，结构简单、运行可靠、调整方便，恒压供水质量高。水泵在变频下均为软启动，切换平滑，冲击电流小，水
泵机组寿命相应延长。可以最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，具有很好的应用前景。□ 
参考文献:
[1] 陆秀令.PLC控制的恒压变频供水系统[J].自动化仪表,
2004  25（4）.
[2] Siemens  AG  WinCC V5  The configuration manual and the
communication manual  Germany  siemens [P]  2000.[3] 廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社[M].2003.
图3
PID闭环反馈原理图