基于PLC變頻恒壓供水監控系統設計

1 引言
在供水系統中，恒壓供水是指在供水網系中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。本文采用計算機(PC)、可編程控制器(PLC)、變頻器組成變頻恒壓供水監控系統，通過變頻調速實現恒壓供水、滿足節能降耗的要求，而且有利于實現生產的自動化及遠程監測。用水量變化具有隨機性，用水高峰時水壓不足，低谷時又造成能量浪費。變頻恒壓供水系統根據公共管網的壓力變化，通過PLC和變頻器自動調節水泵的增減、水泵電機的運行方式及電機的轉速，實現恒壓供水，既防止了能量空耗，又避免出現電機啟動時沖擊電流對設備的影響。

2 工作原理
變頻恒壓供水系統采用一臺變頻器拖動兩臺大功率電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行;一臺低功率的電機，作為輔助泵電機。
啟動方式:為避免啟動時的沖擊電流，電機采用變頻啟動方式，從變頻器的輸出端得到逐漸上升的頻率和電壓。啟動前變頻器要復位。
變頻調速:根據供水管網流量、壓力變化自動控制變頻器輸出頻率，從而調節電動機和水泵的轉速，實現恒壓供水。如設備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時，PLC發出指令1號泵自動切換到工頻電源運行，待1號泵完全退出變頻運行，對變頻器復位后，2號泵投入變頻運行。
多泵切換:根據恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先停”的原則接入和退出。在PLC的程序中，通過設置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數，由給定頻率是否達到上限頻率或下限頻率來判斷增泵或減泵。在用水量較小的情況下，采用輔助泵工作。
為了避免一臺泵長期工作，任一泵不能連續變頻運行超過3小時。當工頻泵臺數為零，有一臺運行于變頻狀態時，啟動計時器，當達到3小時時，變頻泵的泵號改變，即切換到另一臺泵上。當有泵運行于工頻狀態，或輔助泵啟動時，計時器停止計時并清零。
故障處理:能對水位下限，變頻器、PLC故障等報警。PLC故障，系統從自動轉入手動方式。

3 PLC控制電路
系統采用S7-200PLC作下位機。S7-200PLC硬件系統包含一定數量的輸入/輸出(I/O)點，同時還可以擴展I/O模塊和各種功能模塊。輸入點為6個，其中水位上、下限信號分別為I0.0、I0.1。輸出點為10個，O0.0-O1.0對應PLC的輸出端子。對變頻器的復位是由輸出點O1.0通過一個中間繼電器KA的觸點來實現的。根據控制系統I/O點及地址分配可知，系統共有5個開關量輸入點，9個開關量輸出點;1個模擬量輸入點和1個模擬量輸出點?？梢赃x用CPU224PLC(14DI/10DO)，再擴展一個模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。

4 PLC通信程序
S7-200PLC硬件功能完善，指令系統豐富?？蔀橛脩籼峁┒喾N通訊方式:PPI方式，MPI方式，自由通訊口方式等。應用自由通訊口方式，使S7-200PLC可以與任何通信協議已知，具有串口通訊的智能設備和控制器(如打印機、變頻器、上位PC機等)進行通信，也可以用于兩個CPU之間簡單的數據交換。該通信方式使可通信的范圍大大增大，使控制系統配置更加靈活、方便。
采用PLC自由通訊口方案，PLC工作于從站，PC處于主站模式，PLC從站只響應來自主站的申請。主站向PLC從站發送指令格式的報文，讀指令00為向從站PLC申請產生于PLC的數據，讀取水壓，頻率，變頻泵號，工頻臺數，輔助泵狀態等數據;寫指令01為向PLC傳送產生于主站的數據，包括壓力設定值和控制器輸出值。在自由口通信模式下，通信協議完全由用戶程序控制。通過設定特殊存儲字節SMB30(端口0)或SMB130(端口1)允許自由口模式，用戶程序可以通過使用發送中斷、接收中斷、發送指令(XMT)和接收指令(RCV)對通信口操作。
應用發送指令(XMT)，可以將發送數據緩沖區(TBL)中的數據通過指令指定的通信端口(PORT)發送出去，發送完成時將產生一個中斷事件，數據緩沖區的第一個數據指明了要發送的字節數。應用接收指令(RCV)，可以通過指令指定的通信指定端口(PORT)接收信息并存儲與接收數據緩沖區(TBL)中，接收完成也將產生一個中斷事件，數據緩沖區的第一個數據指明了要發送的字節數。
初始化程序:
LD SM0.0 // 開機始終為ON
MOVB 16#9,SMB30
file://自由口通信，選擇9600波特，8位數據位，無校驗
MOVB 16#2, VB0 file://預設PLC地址
MOVD &VB1000, VD20
file://設置接收緩沖區，將其首地址傳給指針VD20
MOVD &VB1200, VD30
file://設置發送緩沖區，將首地址傳給VD30
MOVD VD20, VD24 file://指針值保存
MOVD VD30, VD34
MOVB 8, SMB34
file://設置8ms的定時器0時基中斷
ATCH 0,8
file://接收字符連接到中斷0，連接靜止線定時器和接收器
ATCH 1,10
file://定時中斷0，連接到中斷1
ENI file://開中斷
為了保證通訊接收的可靠性，程序采用前導符，PLC地址，靜止線接收，結束字符。首字符的確認可通過設置前導符來完成，并且通過比較還可以剔除部分干擾字符。首字符確認:
Network 1 file://判斷前導符
LD SM0.0
AB<> SMB2, 16#40
file://不是前導符則跳出中斷
RETI
Network 2 file://終止定時中斷
LD SM0.0
DTCH 10 file://斷開時基中斷
Network 3
file://是前導符則連接中斷3
LD SM0.0
AB= SMB2, 16#40
ATCH 3, 8
靜止線是通訊過程中的一個檢測用時間，即設定的數據傳輸過程中無任何數據的任意2點的間隔時間。靜止線的設計和處理包括長度的確定及定時器和接收器的設計。
INT_ // 靜止線定時器
LD SM0.0
ATCH 1, 10
file://靜止線定時器采用8ms的時基中斷。
INT_1 // 靜止線接收器
LD SM0.0
ATCH 2, 8 file://開始接收字符
尾字符的確認和校驗處理:
Network 1 // 接收及計算校驗碼
LDN M0.0
LDB<> SMB2, 16#2A
// 判斷是否為第一個結束符
MOVB SMB2，*VD24
file://不是則保存數據并計算異或值
XORW SMW1, AC0
INCD VD24
INCD VB40
Network 2
file://如果是第一個結束符，則對M0.0置位，并跳出中斷，
file://接收下一個字符，看是否為第二個結束符
LDN M0.0
AB＝ SMB2,16#2A
S M0.0, 1
MOVB SMB2, AC1
RETI
Network3
LD M0.0
AB<> SMB2, 16#0A
file://判斷第二個結束符，如不是則繼續執行
AB<> SMB2,16#2A
file://判斷又是第一個結束符？不是則執行保存數據，
file://異或運算，并對M0.0復位。
XORW AC1, AC0
MOVB VB300, *VD24
INCD VD24
MOVB SMB2, *VD24
XORW SMW1, AC0
INCD VD24
INCD VB40
INCD VB40
R M0.0, 1
RETI
Network 4
file://如果又是第一個結束符，則上一個是有用的數據，需要保存
LD M0.0
AB= SMB2, 16#2A
XORW AC1, AC0
MOVB VB1300, *VD24
INCD VD24
MOVB SMB2, AC1
RETI
Network 5
file://如前一個為2A，現在接收到0A，則接收完畢，啟動延時中斷
LD M0.0
AB= SMB2, 16#0A
DTCH 8
file://斷開接收狀態，準備組織發送
MOVB 20, SMB34
ATCH 5, 10
file://連接中斷5，根據接收到的信息組織數據發送
對不方便設置尾字符的，可以采用計數的方式對中間字符進行接收，計數到則執行一個專門中斷程序來執行接收結束的處理。對尾字符的判斷處理采用以下流程進行處理。校驗采用從PLC地址號開始，與數據(不包括兩個連續的尾字符)進行異或校驗。每接收一個字符就進行尾字符判斷，如果不是尾字符則在接收的同時進行異或校驗。

5 監控程序設計
上位機的程序流程圖如圖1所示。根據接收到的數據進行判斷，如接收到的是讀寫錯誤，則要求重發。如為寫成功，則開啟定時器1，定時采樣;如讀成功，接收到的是采樣數據則進行顯示和調用神經網絡進行數字處理，處理完畢發送頻率和設定壓力值，并開啟定時器2，等待響應。
系統主窗體四個按鈕控件，分別為參數設置、實時監測、啟動和關閉系統。參數設置界面如圖2所示。用戶可根據實際情況修改壓力設定值。
主要控件功能包括:
(1) 壓力設定值:壓力設定值范圍:0.30-0.60Mpa。
(2) 校正系數:主要是對壓力顯示進行校正，使壓力顯示與壓力表顯示一致。
(3) 復位按鈕:運行中按下，將使系統重新啟動，各參數回到初始設置。
(4) 設定按鈕:在文本框輸入壓力設定值和校正系數后，按下此按鈕，壓力設定值和校正系數才能通過串口發送給下位機。

圖1 上位機流程圖

圖2 供水系統參數設置界面

圖3 供水系統實時監測界面

圖3所示為系統實時監測界面，可顯示當前的實際水壓和頻率值;三個指示燈主要接收PLC回送的信息，實時監測各泵的運行情況，正常顯示為綠色;故障時，相應的控件變成紅色顯示。
6 結束語
投入運行的項目工作穩定，人機界面直觀友好。項目充分發揮S7-200 PLC硬件功能完善，指令系統豐富和通訊功能強大的技術特點。