离散制造Ｉ ＤＩＳＣＲＥＴＥ ＩＶｌＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ Ｉ 西门子Ｐ ＬＣ￣Ｄ变频器在恒压供水控制中的应用 ＰＬＣ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ・南瑞集团公司袁文波Ｙｕａｎ Ｗｅｎｂｏ车佳磊Ｃｈｅ Ｊｉａｌｅｉ 摘要：在介绍了工程背景的基础上，研讨监控系统软件ＮＣ２０００、Ｓ７—２００ ＰＬＣ、触摸屏、显示和 操作面板、主回路和控制回路。还对变频控制原理进行介绍和说明，为类似系统研究、设计和应用提 供借鉴。 关键词：可编程控制器ＮＣ２０００变频器监控系统 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｎｖ１ｒ０ｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎ ａｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｌａｎｔ ｔｈａｔ ｌｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＮＣ２ＯＯＯ，Ｓ７—２００ ＰＬＣ，ｔｈｅ ｔｏｕｃｈ ｐａｎｅｌ，ｔｈｅ ｆａｃｅ ｐａｎｅｌ，ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．ｏｔｈｅｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｄｒａｗ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒＯｍ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ ＮＣ２０００ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 【中图分类号】Ｘ９２４．３【文献标识码】Ｂ文章编号１６０６—５１２３（２０１６）１ １—００６５—０３ ‘Ｊ 毫 ＝ 史服务器、工程师工作站、操作员工作站、通讯管理机等 上位机均分别配置２台，互为冗余。上位机通过ＴＣＰ协议以 太网方式与ＰＬＣ通信，实现数据采集、过程监测和控制调 节；ＰＬＣ采用内部现场总线方式实现与ＩＯ模块实现数据通 信，数据实时处理和准确控制；ＰＬＣ采用ＵＳＳ协议实现与变 频器串口通信方式实现数据通信和变频控制调节；计算机 监控系统采用ＵＤＰ协议以太网方式实现上位机之间快速安 全数据交换。 某工业基地供水工程所在地处于西北腹地，属 性温带气候，地理纬度较高，太阳辐射量一般。其特 征是：气候干燥，春秋季短，冬季较长；夏季较凉爽，冬 季多严寒，气温年较差悬殊，１９较差明显。该工程控制对 象为２台７５ｋＷ深井水泵和阀门等。严酷的环境对计算机监 控系统可靠性要求高，通过经济上和技术上可行性分析比 较，西门子公司研制的Ｓ７—２００型ＰＬＣ和ＭＭ４３０变频器被选 用为控制的核心设备；计算机监控系统软件选用南瑞集团 公司研制的ＮＣ２０００应用系统软件。 ：ｊ■蠢 ３．１ 上位机监控软件设计 ＮＣ２０００监控软件遵循ＴＣＰ／ＩＰ、ＳＱＬ、ＯＤＢＣ、ＣＯＭ／ － ０一 ｔ 闸门计算机监控系统采用工业以太网络结构的分层分 ＤＯＯＭ、ＡｃｔｉｖｅＸ、ＩＥＣ一１ １３１—３、ＯＰＣ等系列国际标准，具 有良好的开放性和可扩展性，系统功能齐全，技术先进， 操作简便，运行安全、可靠、维护量小等优点。（１）通过图 布式计算机监控系统，集中控制层上位机采用ＮＣ２０００计算 机监控系统软件，现地控制层采用ＳＪ．５００ＬＣＵ装置，系统 采用以太网组网，集中控制层每台上位机和现地控制层每 套ＬＣＵ中的ＰＬＣ均连接以太网上。ＬＣＵ分布布置在供水泵 室内，ＬＣＵ采用ＰＬＣ作为控制核心，还配置了触摸屏，在 ＬＣＵ上配置断路器、接触器、变频器和热继电器作为驱动 形组态，采用三维动画显示和动态潮流显示等可视化图形 显示水泵运行、水泵转速、水泵进出１２１水位、报警、电压 电流和阀门状态等，形象生动反映现场设备状态，操作员 对供水泵和阀门监测和控制时直观方便；（２）通过历史数据 库组态，以文本、饼图、棒图等方式显示转速、水量、水 电机的动力控制回路关键器件。作为实时数据服务器、历 ＿ Ｉ ＤＩＳＣＲＥＴＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ Ｉ离散制造 位、水泵运行次数、报警和事故信息等日志、月、年统计 报表，系统具备报表查询、曲线查询、一览表查询、事故 追忆、历史回放等功能。（３）通过对象组态，将现场信号与 的ＣＰＵ模件实现数据交换。作为现地自动控制人机接口单 元，通过组态，画面模拟显示阀门启闭、上下游水位、水 压力、报警、电机运行、电压电流等设备状态：操作员可 在运行画面上进行阀门开启、关闭、设置水泵转速操作： 相应供水泵和阀门建立映射关系，操作员在运行画面上进 行水泵启动、停止以及设置转速操作，监控软件根据现场 运行工况自动给出允许操作和不能操作，减少误操作可能 性，如启动、停止以及设置转速操作相互闭锁。（４）通过数 据库组态，软件提供事故、故障、状变、越限、保护等事 件报警、用户登录、控制操作、自诊断、自・恢复、语音报 警、远程诊断以及自动推出事故处理等功能，还把传统模 拟屏的光字显示功能以软件方式智能化集成于系统。 触摸屏提供事故、故障、状变、越限、保护、控制操作等 事件报警以及用户登录等功能。 ３．４机电显示操作屏面设计 阀门全开和全关指示灯、水泵运行指示灯、声光报警 器、电压和电流表等布置于显示面板上，为操作员提供阀 门全开和全关状态、泵运行指示、故障报警、泵电机的电 压值和电流值等闸门直观信息；提供水泵操作面板布置相 应旋钮、按钮实现以下功能：远方自动、现地自动和现地 手动等控制方式切换、水泵和手动开关操作、阀门手动启 动关闭操作。 ３－２ ＰＬＣ选型设计 供水泵控制系统采用Ｓ７—２００系列ＰＬＣ，西门子公司具 有品种非常丰富的ＰＬＣ产品，ｓ７—２００ ＰＬＣ属于小型ＰＬＣ，在 １９９８年升级为第二代产品，２００４年升级为第三代产品，其 功能强大。ｓ７—２００ ＰＬＣ有６￣ＣＰＵ模块，其中ＣＰＵ２２６可扩展 ７个扩展模块，扩展￣Ｕ２４８点数字量Ｉ／Ｏ或者３８路模拟量Ｉ／０， ３．５主回路和控制回路设计 根据现场阀门和水泵启闭特性和负载状况以及电机 功率，动力启动设备由断路器、接触器和热继电器组成。 根据电机额定功率，断路器、接触器和热继电器的型号按 标准负载进行选择。接触器不仅能接通和切断闸门电机动 力主回路，具有低电压释放保护作用，而且还具有动作迅 速、控制容量大、使用安全方便等特点，适用于频繁操作 和自动控制；热继电器是由流人热元件的电流产生热量， 使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定 距离时，就推动连杆动作，使电机主电路断开，同时其辅 其中ＣＰＵ２２６有３０ｋＢ的程序存储空间和数搌存储空间；具有 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件ＳＴＥＰ７一 ＭｉｃｒｏＷＩＮ；具有灵活方便的寻址方法，与高级语言Ｃ语言 相似；具有强大的通信功能，支持以太网协议、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ ＤＰ 总线协议、ＰＰＩ总线协议、自由串口协议，能与品种众多的 触摸屏支持：具有非常明显的价格优势。 该系统ＣＰＵ模件选用ＣＰＵ２２６，集成了两个串口，支 持ＰＰＩ协议、ＵＳＳ协议、自由口协议，可通过ＣＰＵ模件程 序中组态内置的ＭＯＤＢＵＳ ＲＴＵ功能块实现ＭＯＤＢＵＳ ＲＴＵ 协议通信，可完成数据处理、编译执行用户程序、通讯等 功能，还集成了２４点开关量输入通道和１６点开关量输出通 道：系统将第一个串口定义为ＰＰＩ口负责与触摸屏ＴＰ２７７通 讯以及作为调试接口与编程设备连接实现程序装载和数据 传输；在ＰＬＣ组态中，系统通过调用ＵＳＳ ＩＮＩＴ ＰＩ指令将第 二串口初始为ＵＳＳ协议接口，波特率为５７２００ｂｐｓ，用于通讯 助触点动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，实现 电动机的过载保护；水泵控制回路配置了变频器，不仅有 变频功能和启动平滑功能，还具有短路、过载、堵转、缺 相不平衡、过压、欠压、欠载、漏电、启动超时、相序等 保护，主回路电源为ＡＣ３８０Ｖ交流电源，控制回路电源为 ＡＣ２２０Ｖ交流电源。动力启动设备和电机保护装置与ＰＬＣ、 开关电源、中间继电器和按钮、指示灯、声光报警器和触 摸屏布置在ＳＪ一５００ＬＣＵ动力屏中，通过ＰＬＣ控制输出使用接 触器启动水泵。 方式控制变频器转速。内置系统配置一块１６点开关量输入 扩展模件ＥＭ２２１和一块８点开关量输出扩展模件ＥＭ２２２：开 关量输入通道用于测量阀门全开位置和全关位置、供水泵 变频恒压供水系统回路如图１所示：两台水泵电机分别 为Ｍ１和Ｍ２，它们分别带动两台水泵。接触器ＫＭ１和ＫＭ３ 分别控制水泵的工频运行，接触器ＫＭ２和ＫＭ４分别控制水 泵的变频运行：ＦＲ１和ＦＲ２分别为两台水泵电机过载保护热 继电器；ＱＦｌ、ＱＦ２￣［ＩＱＦ３分别为变频器和水泵电机主电路 的空气断路器；ＦＵ为主回路的快速熔断器。 运行、电气故障、机械故障等开关状态信号；开关量输出 通道通过中间继电器控制阀门启闭、水泵启动停止：配置 为８通道模拟量输入扩展模件ＥＭ２３１，用于测量水泵上下游 水压、阀门开度和转速等电流模拟量信号；配置以太网通 讯模件ＥＭ２４３—１，该模件负责与上位机通信实现数据交换 和运行控制。 本系统采用两台泵自动轮换变频运行方式，在用水 量大的情况下，两台水泵中只有一台水泵在变频器控制下 作变速运行，另一台水泵在工频下做恒速运行：在用水量 ３．３触摸屏选型设计 触摸屏ＴＰ２７７布置于ＬＣＵ中，采用串口方式连接ＰＬＣ 低的情况下，如果变频泵连续运行时间ｌ ２小时以上或者故 离散制造Ｊ ＤＩＳＣＲＥＴＥ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ｌ 障以及检修，ＰＬＣ轮换另一台水泵，即系统具有自动轮换 能，避免某台水泵工作时间过长；在同一时间内只有一台 水泵变频工作。 图２ 供水系统ＰＩ Ｄ控制原理图 因ＰＬＣ采用循环扫描运行方式，故需要将ＰＩＤ控制算法 进行离散化来实现的。以一阶后向差分近似代替连续系统 的微分，得到ＰＩＤ离散控制算法表达式： ｒ ．， ］ “（ ）＝Ｋ ｛ （ｌ 胛）＋ Ｐ（ ）＋ ［Ｐ（玎）＋Ｐ（ ）】ｌ（２） ｉ／＝ｏ Ｊ （２）式中：Ｔ为采样周期：ｎ为采样序号：ｅ（ｎ）为第ｎ时刻 的偏差信号；ｅ（ｎ—１）为第ｎ一１时刻的偏差信号。 ＰＩＤ各部分的作用及调节规律如下：（１）比例部分起主要 图１ 变频恒压供水系统主回路图 控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏 差随比例系数的增大而减少，比例系数过大；悔导致系统不稳 定：（２）积分部分主要用于消除静差，提高系统的无差度。积 三相电源经低压快速熔断器、断路器接至变频器的 Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３端，变频器的输出端ｕ、Ｖ、ｗ通过接触器接至 电机。当电机工频运行时，连接至变频器的输出端的接触 器断开，接通工频运行的接触器。主回路中的低压快速熔 断器除接通电源外，同时也实现短路保护，每台水泵电动 机的过载保护由相应的热继电器实现。通过主回路电气闭 锁以及ＰＬＣ控制，实现同台水泵变频和工频回路不同时接 通。系统为监测电机负载运行情况，通过电流互感器以及 变送器转换将水泵电机电流ｆｌ４Ｊ４－２０ｍＡ模拟信号接至ＰＬＣ。 分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大，积 分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起 系统振荡；（３）微分部分主要用来控制被调量的振荡，减小超 调量，加’陕系统响应时间，改善系统的动态特性。在实际调 试过程中技术人员需要根据它们的作用和调节规律进行ＰＩＤ 参数整定。供水系统具有自衡能力，通常进行ＰＩ调节。 鹭 薅 ４ 变 控未９愿 恒压变频供水系统中ＰＬｃ采用ＰＩＤ调节实现闭环控制保 基于ＰＬＣ和变频技术的恒压供水系统集通讯技术、变 频技术、电气技术和控制技术于～体。采用该系统进行变 频恒压供水可以有效消除水锤发生，同时提高供水系统的 稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在水资 源和能源日益紧缺的今天尤为重要。ｓ７－２００通过ＵＳＳ通讯方 式对变频器控制极大地减小控制电缆数量。使系统简单可 靠。研究、设计和应用该系统，对于提高社会效率以及人 民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 证供水系统中的水压恒定。在连续控制系统中，常采用比 例（Ｐ）、积分（Ｉ）、微分（Ｄ）控制方式，￣ｐＰＩＤ控制方式。ＰＬＣ 对设定值ｒ（ｔ）和实际输出值ｙ（ｔ）之间的偏差ｅ（ｔ）经比例、积分 和微分运算后通过线性组合构成控制量ｕ（ｔ），对被控对象变 频器进行控制，故称ＰＩＤ控制器。系统由控制核心ＰＬｃ、变 频器、水泵、管网和水压力变送器等组成。其控制系统原 理图如图２所示，图中ｕ（ｔ）为ＰＬＣ通过ＵＳＳ协议通讯输出给变 频器的调节量。其中设定值ｒ（ｔ）对应设定水压，实际输出值 ｙ（ｔ）对应供水管网实际水压。 参考文献 【１】两门 （Ｉｆ］闻）有限公司．ｓ７—２ｏ（Ｉ选型样本，［２ｏ１２—４—３（１１． 【２Ｊ南京南瑞集．引公司．ＮＣ２０００系统使用手册，『２０１５—９—３０１ ｅ（ｔ）＝ｙ（ｔ）一，（ｆ） （１） ＰＩＤ控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的 控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于 为人们熟悉和掌握等优点。ＰＩＤ控制器是一种线性控制器。 作番简介 袁文波（１９７４一）男工学硕士高级工程师研究方向：水 利水电自动化工程
