宁夏西门子S7-300代理商

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组合应用了三菱FX系列PLC，变频器，显控（Samcon）SA系列触摸屏。采用通信方式对变频器进行控制来实现系统控制功能，用户可以通过触摸屏控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA或0～10V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，PLC频率输出给定变频器的运行频率，从而调节水泵的转速，达到恒压供水。

1、引言

在工业现场控制领域，可编程控制器（PLC）一直起着重要的作用。随着国家在供水行业的投资力度加大，水厂运行自动化水平不断提高，PLC在供水行业应用逐步增多。触摸屏与PLC配套使用，使得PLC的应用更加灵活，同时可以设置参数、显示数据、以动画等形势描绘自动化过程，使得PLC的应用可视化。

变频恒压供水成为供水行业的一个主流，是保证供水管网在恒压状态的重要手段。现代变频器完善的网络通信功能，为电机的同步运行，远距离集中控制和在线监控等提供了必要的支持。通过与PLC连接的触摸屏，可以使控制更加形象、直观，操作更加简单、方便。

组合应用PLC、触摸屏及变频器，采用通信方式对变频器进行控制来实现变频恒压供水。

2、系统结构

变频恒压供水系统原理如图1所示，系统主要由PLC、变频器、触摸屏、压力变送器、动力及控制线路以及泵组组成。用户可以通过触摸屏了解和控制系统的运行，也可以通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20mA或0～10V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，PLC频率输出给定变频器的运行频率，从而调节水泵的转速，达到恒压供水。PLC设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。

3、工作原理

该系统有手动和自动两种运行方式。手动方式时，通过触摸屏或控制柜上的启动和停止按钮控制水泵运行，可根据需要分别控制1#～3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时使用。自动运行时，首先由1#水泵变频运行，变频器输出频率从0HZ上升，同时PID调节器把接收的信号与给定压力比较运算后送给变频器控制。如压力不够，则频率上升到50HZ，由PLC设定的程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，使得1＃泵变频迅速切换为工频，2＃泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2＃泵由变频切换成工频，3＃泵变频启动；如用水量减少，PLC控制从先起的泵开始切除，同时根据PID调节参数使系统平稳运行，始终保持管网压力。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机，待电源恢复正常后，人工启动，系统自动恢复到初始状态开始运行。变频自动功能是该系统基本的功能，系统自动完成对多台泵的启动、停止、循环变频的全部操作过程。

4、设备参数的设置

在进行通信之前必须对PLC、触摸屏和变频器的通讯参数进行正确设置。本系统定义为Modbus协议，波特率为9600，数据位为8，无校验，停止位为1。变频器除设置通信参数外，还需启用“自由停车”以保护电机。

5、PLC控制系统

该系统采用三菱FX-200的PLC，继电器输出，PLC编程采用三菱PLC的专用编程软件，软件提供完整的编程环境，可进行离线编程、在线连接和调试。为了提高整个系统的性价比，该系统采用可编程控制器的开关量输入输出来控制电机的起停、自动投入、定期切换，供水泵的变频及故障的报警等，而且通过PLC内置的PID给定电机的转速、设定压力、频率、电流、电压等模拟信号量。

以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切换工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁起停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中采用直接停工频泵的运行方式，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时间缺水的现象，提高了供水品质。

6、触摸屏界面设计和运行操作

步：确认接通触摸屏电源，进入触摸屏欢迎界面，如图2:

第二步：在欢迎界面中用一个手指轻压“进入系统”，进入“系统主画面”，如图3。

第三步：要进行参数设定。手指轻压“参数设定”，进入参数设定画面，如图4。

点击时间后的数字可以弹出软键盘，在软键盘中设定切泵时间，单位为小时，设定后轻压“Enter”确认。按上面的方法依次设定加泵时间和减泵时间，单位为秒；用同样的方法对P、I值进行设定。

第四步：轻压可以返回系统主画面，在主画面中轻压“状态画面”可以进入系统状态画面，如图5。

轻压“系统压力设定”后面的方框，在软键盘上设定管网压力，单位为MPa，即1MPa＝10个压。

第五步：轻压“启动”，启动PLC设定的程序，开始控制切泵，实现恒压供水。状态监视页面将会显示当前工作状态。

在系统出现故障时，手指轻压“停止”后，水泵停止工作，然后进行维护。

7、结束语

该系统采用PLC和变频器结合，系统运行平稳可靠，实现了真正意义上的无人职守的全自动循环切泵、变频运行，保证了各台水泵运行效率的优和设备的稳定运转启动平稳，消除了启动大电流冲击，由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应。通过触摸屏上的组态画面就可进行供水压力的设定，监视设备运行状况同时可以查询设备故障信息，大大提高恒压供水系统的自动化水平及对现场设备的监控能力

现今，市场上有多种不同的接口提供相同介质上的数据及电能传输。我们审视各种技术的优缺点时，就可以清楚发现以太网供电(PoE)和电力线载波(PLC)技术匹配良好；结合这两者会添增价值。电力线调制解调器利用已有电力线路的优势，将电力线用作通信通道，而PoE作互补技术，在以太网数据线缆上传输电能。在数据和电力网络中应用这两种技术得心应手，可更节省成本、更灵活及更优化。为这种通信网络的各个部分选择恰当的技术，可以受益匪浅。

结合电能及数据传输技术：PoE、PLC及USB

PoE技术为传统以太网增加了电能传输能力。这种技术使用已有或新的数据线缆基础设施，将电能传输至以太网线缆上的设备。以太网线缆可以是CAT5、CAT5e或CAT6双绞线，每种双绞线都有不同的环路阻抗，提供略有差异的性能。其中，100米长CAT5双绞线的环路阻抗为20 Ω，而CAT5e或CAT6为12.5 Ω。由于数据线缆未受保护，且这技术使用直流(DC)电压，为安全起见，线缆上的高电压电平被限制在57 V。这些线缆阻抗和电压电平约束为系统、特别是距离较远的系统的能效造成了一些限制。

根据IEEE802.3af标准，大功率为13 W时线缆上的压降为7 V，故总损耗为7 V×350 mA=2.45 W。对于IEEE802.3at草案(D3.0)标准，25.5 W大功率时的压降为9 V，相应地总损耗为9 V×600 mA=5.4 W。另一方面，这技术支持线缆长度达100米的千兆位以太网(GbE)，用于电能传输时会带来边际递增成本(marginal incremental cost)。

在频谱的另一方面，PLC技术利用已有电力线路的优势，以高于电力信号的频率传输数据。现今PLC技术有两种流行应用，种应用是小型办公室/家庭办公室(SOHO)网络，利用家中或办公室中现有的电力网络来传输数据。第二种是在工业应用，如电能计量，以电力线缆来远程提供电表输出数据。

但PLC并不是没有自身的问题。主要的问题集中在电力线路本质上是极嘈杂环境的事实；设备每次开启或关闭时，电力线路上就会产生“爆音(Pop)”或“嘀哒(Click)”声。系统的设计必须处理这些自然信号干扰，并避免它们。这尤其适用于低误差率及线缆长度可能很长的工业环境。这类配置中通常使用频移键控(FSK)调制技术。这种方法确保高质量的数据，但不支持太高的数据率。SOHO应用中的线缆距离通常较短，但需要更高的数据率，故使用正交频分复用(OFDM)调制技术。这是一种支持较高数据率的多载波方案。

在相同介质上提供电能及数据的第三种技术是USB。与PoE和PLC相比，USB接口常用于个人电脑(PC)外设。这种接口类型的一项不足是它只能为应用提供有限的功率。它的另一项不足是传输距离，因为它只能支持电源和应用之间大约4米的距离。这两项不足排除了USB众多潜在的家庭及工业应用。

图1对比了所有这三种技术。PLC在长距离传输电能和数据方面表现明显更胜一筹。但另一方面，由于在电力信号之上调制数据信号需要复杂的电子电路，PLC解决方案成本高昂。因此，这种技术并不能高性价比地用于单个设备，而是更适合用于交换机和集线器。

图1：USB、PoE、PLC三种技术的性能对比

这三种技术的潜在威胁是无线局域网(WLAN)技术(如WiFi、WiMAX、蓝牙)，因为WLAN技术还减少了线缆数量，并能桥接长距离。在建筑物中使用无线技术的一项争议出现在混凝土结构中嵌入的金属材料的屏蔽效应，可能阻挡无线信号。因此，通常需要安装数个接入点来确保提供良好的信号覆盖。其次，要构建无线桥接环境，每种电器或设备中必须都有无线接入点，才能接收信号。与传统电源转换器结合在一起的无线接入点相较于支持PoE的标准以太网而言，存在成本劣势。对于工业环境而言，无线技术局限于用在不安全、非关键的应用，因为无线信号始终面对着被屏蔽或被意外事故干扰的风险。

恰当地平衡利用PoE和PLC技术能够带来优势

在适合的地方利用PoE及PLC技术，就能够优化系统的成本及能效。如果我们考虑机顶盒(STB)等潜在的家庭应用，机顶盒总是放置在有电源插座的位置。

图2阐释了一种潜在的机顶盒家庭应用。网络通过非对称数字用户线路(ADSL)线路、光学光网络终端(ONT)或同轴网络进入家中。数据通过电力网络传输至家中的各个电源插口。在有机顶盒、语音IP电话(VoIP)或台式PC等高带宽应用连接至电源插口的各个房间，电力载波上的数据会可能传输至以太网线缆。为了支持这种传输，需要在电源插口上安装特别的设备。这设备包含PLC调制解调器，并结合了支持PoE的以太网交换机。目前市场上有售结合PLC调制解调器及以太网交换机的设备。然而，这些设备中的大多数仍然不含PoE。这表示每个设备需要不同的电源转换器来从支持PLC的交换机接收数据。下一步，PoE将增添至这些设备之中，可进一步优化及节省成本。

图2: 一种潜在的机顶盒家庭应用示意图

用户采用这种建议配置，将能够选择从哪个电源插口“接收(tap)”数据，选择方式就是在电源插口插入灵活的以太网交换机插头。支持PoE的线缆从各个以太网交换机插孔(jack)提供数据及电能给家用电器或设备。其结果是免除了应用的电源适配器，线缆用量减少至1条，并优化系统能效。此外，这种方法尽量利用已有基础设备的优势，因此PoE线缆的长度相对较长，减少了线缆损耗。

在以太网日趋普及地用作通信接口的工业环境中能够使用类似配置。以太网用于工业环境中的仪表、传感器、人机接口(HMI)、逻辑控制器及输入输出(IO)模块。结合PLC技术，数据能传送更远距离。

那么为什么结合这两种技术有如此优势呢？可能提出的一个问题是为什么PLC调制解调器不移至机顶盒内部，从而无需支持PoE的以太网和PLC电源插口？答案是PLC调制解调器是一种昂贵设备，相较于PoE接口而言有成本劣势。这表示在每个家用电器中集成PLC调制解调器在经济上并不合算。

PoE还能够替代传统电源的DC/DC控制器，提供额外的成本及设计简化优势。另外一种选择是在不采用中间(intermediate) PLC技术，考虑在所有家庭提供PoE。对于较大的办公室而言，100米的线缆长度限制只是表示需要中间集线器来桥接更长距离。当然，每栋建筑物的完整距离范围内都已存在电力线缆。在电力线缆上传输数据，无需集线器就能够桥接覆盖到这些建筑物内的长传输距离。第二，存在敷设线缆及线缆本身成本的问题。结合使用PLC及PoE，就能够避免在建筑物范围内敷设CAT5e线缆的投资。

结合这两种技术的另一项优势是PoE被推至网络的极边缘。PoE仅用于后的数米，因此大幅缩短了线缆长度。反过来这也使线缆中的电能损耗极低。较短的线缆还适合于更高功率的应用。设计人员能够考虑当前由IEEE802.3at标准草案建议的高于25.5 W功率电平的专有解决方案。

安森美半导体目前提供两款PoE用电设备(PoE-PD)器件——NCP1081和NCP1083，均符合即将发布的IEEE802.3at标准，但也能支持两对线缆上达 40 W的功率电平，以及使用所有4对以太网线缆传输电能时支持达80 W的功率电平。

安森美半导体在PLC调制解调器领域为工业应用提供数款器件，例如，AMIS-30585提供全套调制解调器，它使用FSK调制技术，为计量、传感器和公用事业机构的负载控制提供强固及可靠的网络接口。

结论

在建筑物和工业自动化或家庭及办公室应用中搭配使用PoE和PLC这两种已有技术，能够提供数项优势，既有可能优化电力及数据网络的敷设成本，同时又能维持整个系统较高等级的能效。