6ES7331-7PF11-0AB0支持验货

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基于PLC的变频调速恒压供水系统设计

1 引言

随着小区供水管网的新，改造和扩建，某些地区的管网压力不均问题日益，即当供水管线较长时，在管网中产生较大的沿程水头损失，为了维持管网末梢服务压力，势必提高水厂的出厂压力，以至在管网服务压力过高，造成区域之间的水压差过大，在高压区供水能量浪费，漏水严重，甚至可能出现爆管，但如果降低出厂水压，又满足不了低压区的用水需求。

2 恒压供水系统节能分析控制器

变频调速供水系统是技术成熟的工业自动化供水解决方案，原理如图1所示。

当水泵以额定转速运行在工频状态下时，其特性如图2所示。在该运行方式下，为了满足大流量下的压力要求，应该使pm=pd。由特性曲线可知，当流量减小时，管网压力随之升高。由于在大部分时间里q＜qm，所以如果水泵总是以工频方式运行就会形成图中ptpdpm三角形阴影区域所表示的能量浪费。而且，通过特性曲线我们还可以发现，在该工作方式下，管网压力变化范围很大，这会减少管网的使用寿命。

当水泵电机采用变频调速技术控制以后，水泵运行特性曲线如图3所示。由图可知，在该供水方式下，由于针对水流量的变化相应地及时调整水泵电机的转速，所以系统总能够运行在效率状态下。这既保证了管网供水压力恒定，又达到了节能目的。

根据流体力学的有关原理知道，当采用变频调速控制方式时，流量q、扬程h、轴功率p、转速n存在如下关系：

通过这一组关系式我们可以进一步知道，由于轴功率的比值与电机转速的比值的3次方成正比，所以当流量的减小而使得电机转速减小时，节能的效果是很明显的。在理想情况下，当电机转速降为额定转速的80%时，水泵功率会下降到额定值的51.2%，即节约48.8%的电能。因此，变频调速控制方式在供水系统中的应用对节能的意义重大。

3 自动化方案实现

变频恒压供水控制系统，主要是由西门子公司生产s7-200plc、变频器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的按钮、转换开关和指示灯来控制系统的运行。系统方框图如图4所示。

通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成标准的电压或电流信号经em235送入s7-200plc，经与给定压力参数比较进行pid运算后，发出控制信号送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。当用水量过一台泵的供水量时，通过plc控制增加水泵。根据用水量的大小由plc控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水同时系统通过软件设计具有定时换泵和系统声、光报警及多种保护功能。

纵观中国的经济，制造行业和软件行业占市场的70%，而制造行业的就是汽车行业，相较2008年，国外在中国乘用车市场的占有率突破60%。相比而言国外汽车普遍制造工艺以及性能要比国产车好。

汽车的制造环节是在整个过程中是重要的，汽车的性能高低、制造工艺、外观、性能都是取决于工厂制造设备的功能以及设备的精度，而在这些设备仪器中有发言权的就是自动化设备了。汽车制造产业规模大，自动化水平要求高，涉及的自动化技术和产品包括控制产品、现场总线、运动控制、 机器视觉、离散传感器、产品等等，汽车制造业成为工业自动化的主力市场之一。汽车行业是三菱PLC应用的二大终用户行业，仅次于冶金行业。

汽车生产线分为冲压、焊装、总装和涂装(喷漆)四大工序。汽车总装线也就是总装由车身储存工段、底盘装配 工段、车门分装输送工段、终装配工段、动力总成分装、合装工段、前梁分装工段、后桥分装工段、仪表板总装工 段、发动机总装工段等构成。 整个系统以三菱PLC及现场总线CC-bbbb为控制设备，采用接近或光电开关监测执行结构的位置，调速部分采用三菱FR-E500系列变频器进行控制，现场的各种控制信号及执行元件均通过CC-bbbb由PLC进行控制。

现在许多厂家开始用性能好稳定的西门子PLC了，西门子的PLC在汽车制造领域有着的成就,西门子PLC应用于汽车的REID系统(电子标签)用于生产过程中的流程控制与生产信息的控制，实现物流与信息流的同步。在对于和保存质量数据的详细规定，越来越多的体现在汽车工业质量规范的要求中。采取RFID技术的制造商产品严格，加一丝不苟，质量层层把关。符合ISO9000认证标准，符合相关的法律制度，符合汽车制造商的利益。而这些也是客户以及销售商所需要的。

但是，PLC是可以达到这些功能但是这些功能依靠工程师的程序编写才能达到这种效果，工程师熟悉的运用PLC中的指令以及通过各种的丰富的经验来解决各种的技术性问题。而往往编写程序是整个过程中困难的，一套复杂的程序需要一个工程师熟悉灵活的运用编程指令，以及客户所想到的任何问题都要考虑在内，重要的就是这台设备的性稳定性。

触摸屏mt506的编程环境为eview mt500，系统共包含3个模块 easy load［upload（上传）和download（下载）］，easy bbbbbb（在线模拟和离线模拟）及easy builder。其中easy builder组态软件可以非常方便地为mt506触摸屏进行组态设计，本系统包括初始画面、开机流程画面、停机（紧急停）流程画面、事故报警画面、常用

参数设定画面、输入（输出）开关量监测画面、运行统计画面、密码验证画面、报警提示、留言板等。其人性化的操作界面和提示画面简化了系统的操作过程，有效的防止误操作。

如何诊断PLC的故障

5.出错指示（［EPROR］LED闪烁）
当程序语法错误（如忘记设定定时器或计数器的常数等），或有异常噪音、导电性异物混入等原因而引起程序内存的内容变化时，［EPROR］LED会闪烁，PLC处于STOP状态，同时输出全部变为OFF。在这种情况下，应检查程序是否有错，检查有无导电性异物混入和高强度噪音源。
发生错误时，8009、8060~8068其中之一的值被写入特殊数据寄存器D8004中，设这个写入D8004中内容是8064，则通过查看D8064的内容便可知道出错代码。与出错代码相对应的实际出错内容参见PLC使用手册的错误代码表。

PLC与DCS较量：如何选择适合自己的过程控制

工业界对于分布式控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（PLC）两者孰优孰劣的争论已经持续了至少40年。然而，随着技术的发展，争论并未停止。由于两者功能特性越来越接近，价格差异也在缩小，曾经一度很清晰的选择，现在似乎变得越来越模糊。要想理解这两者之间的争论，就一定要明确这两种平台之间的根本性差异。

要想理解这两者之间的争论，就一定要明确这两种平台之间的根本性差异。例如，DCS体系结构源自一种完整的系统方法，其焦点在于基于网络实现分布式控制，协助作业人员监视并操控工厂中的任何一个区域。通过的确定网络实现一致、同步并且完整的过程数据正是DCS体系结构的。

另一方面，PLC体系结构聚焦于灵活快速的本地控制，PLC技术近的发展为其增加了过程控制能力。当PLC和HMI软件集成在一起时，其终形态看起来与DCS十分类似，但是这仍旧是一种自建（DIY）的实现方法，意味着工程师亲力亲为实现系统的每一个环节。对于控制来说这种方法加灵活，但是DIY通常意味着在组网和性能上大的技术风险，其导致的成本增加会在后期慢慢体现。

以前，相对于PLC系统来说，DCS通常加昂贵，而且与今天面临的状况不同，当年很多工厂对生产速度、产量、废物排放、性和遵循法规上的需求并不高。正是因为这样，基于PLC的系统才获得了发展，因为它们能够提供低的固定资产，同时提供的功能也足够用。但是随着时代的变迁，在市场范围DCS系统的价格不断降低，制造企业对其需求也随之上升。因此，在投建新自动化项目时，很制系统工程师、维护经理和工厂经理开始重新审视DCS和PLC控制系统两者的优劣。

在评价DCS和基于PLC架构的自建分布式控制系统时，有几个要点需要注意。

网络能

优良的网络能始于合理的网络设计，而合理的网络设计依赖于对每一个网络节点的通讯行为和用来承载网络信息的协议的详尽了解。主要的过程自动化供应商已经注意到这种需求，他们提供优的方案，使用户可以为控制系统选择优的网络设计。而DIY方案的应用工程师可能需要完成特定网络拓扑结构的搭建。

网络设计和安装完成之后，下一步就是测试网络能到底如何。对于不同的数据采集量、警报、历史信息、对等网络信息和随时可能发生的备份作业，同样的网络拓扑结构的性能可能具有很大的差异，这需要依靠的优拓扑结构测试才能够得出结论。

设用户已经完成了网络的设计和安装，工厂达到了大生产能力，一切都按照预期运行，那么此时需要面临的挑战就是如持这种平稳的网络作业状态。

一种解决方案是在项目之初就安装容错以太网（FTE），这是一种使用并不昂贵的成品组件实现冗余工业以太网的组网技术，这种技术能够提供高可用性。FTE还能够提供足够的网络诊断，实现对过程控制网络的持续关注，可以作为DCS的一部分。

而且，工厂在补丁和新被载入生产系统之前对其进行功能和性能的测评。有经验的网络工程师深知网络上的每一台设备都正常工作，才能构成一个健康的网络整体，正所谓一条臭鱼腥了一锅汤。

控制性能

良好的过程控制是建立在和可重复的控制策略上的。过程控制器作为经典DCS体系结构的一部分，在作业方法上比PLC具有多选择。PLC的运行速度相对来说快，而过程控制器的强项在于可重复性，这意味着控制策略的运行周期是固定的运行的过快或者过慢都是不能接受的。在每一个运转周期内实现可重复的控制，有助于工厂实现可重复的质量、生产率和作业结果。

运行周期并非差别，其他系统服务也将解决控制器的配置，例如，如果控制器产生的报警会对控制任务产生影响，那么这些报警就会被屏蔽，当过程扰动渐趋平稳时，再恢复这些警报。为了有效实现这种警报管理机制，能够与控制产生警报的时间紧密配合，那些用来收集、存储和报告这些警报的报警子系统和事件子系统也是如此。老话重提，系统的作业方法是DCS的。

HMI图形

HMI软件包供应商通常都会吹嘘操作员设计图形界面是如何的容易。但是不管图形界面设计的多么令人印象深刻，它都不能为工厂带来直接的经济效益。设想一下过程控制环境建立图形界面，因为它们已经内置了图形界面，这是多么惬意的一件事。

但是随着时代的变迁，在市场范围内DCS系统的价格不断降低，制造企业对其需求也随之上升。

如果系统控制功能和作业环境整合在一起，那么支撑过程工厂运转的的功能都可以标准化。一些DCS平台能够提供上百种标准面板、分组显示和状态显示，这不仅对于有效的工厂作业非常重要，关键这些功能是现成的。

控制算法

面向对象的功能模块主要用于用户功能的属性。通过创建具有完整参数功能的功能模块，用户可以开发并对控制策略实现调整，重新设计控制功能，所有必需的功能都经过备案可选。应用工程师仅需将模块集成到所需的控制配置中即可，十分容易。编程的自动备案控制器配置使DCS体系结构对于工程师的使用和故障排查来说十分。

让我们以一个常用的过程控制功能PID模块为例。使用DCS数据模型，可以通过配置界面获得PID功能模块的全部信息，此界面的各种算法已经通过验证，可以按需选择。HMI中的报警、趋势分析和历史数据功能所需的参数可以在一个站点轻松完成和配置，再对HMI配置进行改。

应用软件

在一套自动化系统20~30年的服役期内，考虑用户需要对系统进行扩展、改或者为系统增加新技术的频次是很重要的。

“如果系统控制功能和作业环境整合在一起，那么支撑过程工厂运转的的功能都可以标准化。”

对于DIY系统来说，要想找到工厂运行所需的所有应用程序，只需要翻翻PLC和HMI供应商的选型手册然后下订单即可，随后就可以获得授权、DVD安装盘、下载内容和其他一系列有用的资料。但是，如果只需要选择一种型号代码就可以立即收到所需的整套系统岂不是加便利么？一个授权文件可以用于所有支撑过程工厂运行的控件、数据备份、趋势分析对象、业务集成软件和工厂运行中所需要的图形。DCS体系结构能够确保所有的控制应用程序都被正确加载，版本正确且经过兼容性测试。

数据管理

当DIY的DCS系统被拼凑起来后，各种不同的数据模型将会产生多种代表同样信息的数据。当这些个体被组装成一个系统之后，这些不同种类的数据模型同步并且受到维护，对于应用工程师和系统管理员来说，完成这项工作是一个不小的负担。

而对于DCS体系结构来说，通用的数据模型能覆盖整套系统。因此，一个数据源可以为系统任何位置的任何一个应用程序或者服务提供数据。这个问题的关键并不在于数据库的数量，而在于单一的数据模型，不管数据组件在何处，它都可以被体系下的任何一个组件所使用，而且数据组件复制。综合的数据模型并不一定意味着仅使用一个数据库，但是它肯定意味着对于任何数据组件来说都具有同一个去处。

批量自动化

DCS体系结构的综合特性长久以来一直是批量自动化工程的上佳之选。相比于其他类型的自动化，批量要求在相位、单位、配方、公式和其他要素上做到精细的配合。即使经典DCS体系结构在提供完整的解决方案时也面临着不小挑战，因为批量环境中的组件实在过于多样化。正是基于此种原因，很多批量自动化工程都选择将多种解决方案混合成一种解决方案。

不管怎样，批量数据模型已经不像从前那样令人心生畏惧了，批量自动化解决方案的各种不同的信息现在使用单一的DCS数据模型就可以采集完成。例如，批量管理和执行所需的所有组件都运行于过程控制器上，或者在要求性的场合这些组件都运行于冗余控制器上。这意味着没必要非得使用一台PC作为批量服务器。因为所有的批量组件都运行于控制器上，批量执行加快速，循环时间得以缩短，产量提升。而且，对于各种报警、安保和显示功能，操作人员只需要学习一种作业环境即可，误操作的可能性也低。从工程和维护的观点来看，这种方法的优势在于仅需学习并支持一种工具即可控制工程网版权所有，事半功倍。

开放式连通性

今天的过程工厂很少选择单一的控制器。这就是为什么经典DCS体系结构也能够将三方设备以同样的数据模型引入的原因。这意味着操作人员能够以一种统一的风格浏览来自于不同厂家的控制器的信息。

控制解决方案是否能够将企业解决方案无缝融入控制层也是一个重要的考虑方面。因为信息富集型应用通常都是如需则急需，所以对制造执行系统（MES）、资产管理系统、报表软件、统计过程控制（SPC）、停机跟踪或者其他企业层解决方案进行提前考虑是很重要的。

技术

控制策略在应用到实际的过程之前经过的“排查”。由于过程控制关注可重复性，所以能够将控制策略直接运行于环境而改，这一点是十分必要的。过程控制中的计时是很必要的，器能够地重现过程执行的计时。

“由于过程控制关注可重复性，所以能够将控制策略直接运行于环境而改，这一点是十分必要的。”

基于此种原因，DCS供应商都提供的器技术，在工厂整个生命周期内帮助改善性能。有多种选择，从离线的稳态设计、控制核查和操作员培训到在线控制和优化、性能监控和作业计划。

过程历史数据

的过程改进依赖于优良的过程数据，这意味着历史数据的收集与工厂自动化系统的功能协调一致，不会妨碍加紧急的控制要求。但是，如果出于某种原因中断历史数据收集，那么之后能够恢复历史数据，因为不完整的历史数据是不能接受的。工厂需要一种的解决方案以历史数据，并将这些数据用于趋势和质量分析。

基于此种目的，大多数现有的DCS平台现在都具有的内置过程历史数据功能，工程师和工厂管理人员可以藉此在单一站点完成对整体作业性能的分析。冗余数据收集机制还能保证在主历史数据收集器失效时切换至辅助历史数据收集器。

做出决定

当然，每一家工厂对自动化和控制都有其的要求，实际上不管是DCS还是PLC都能满足每一家工厂的需求，落实到具体的应用和作业需求时，仔细考虑，然后再决定哪一种技术适合自己的过程控制。当前对于DCS的需求正在上升，即使对于规模较小的应用也是如此。对上文讨论的内容略加思索，操作人员和工程师就能对DCS和PLC的能力有一个初步的认识，并在两者之间做选择的时候能够加深入地考量。