冗余PLC在全变频供水系统中的应用

冗余 PLC在全变频供水系统中的应用

王飞

上海连成 (集团 )有限公司 上海 201812

内容摘要

随着社会的进步科技的发展，人们对生活质量要求越来越高，供水系统的稳定性、舒适性是判断供水系统性能的最关键的指标。冗余PLC全变频控制系统采用双冗余PLC当主用PLC发生故障时，系统能自动切换冗余温备PLC，提高了系统的稳定性和有效性，减少安全隐患；同时系统采用全变频控制技术，使水泵一直保持在高效点运行降低了设备的功耗，节能效果比较显著。

关键字：冗余 全变频 节能

1.引言

目前市场上的二次供水控制系统基本采用一套PLC控制多台水泵变频恒压供水。其最显著的特征是：整个供水系统只有一套PLC进行逻辑控制，当PLC发生故障时无备用措施，二次供水系统不能够按照正常的逻辑程序运行，严重影响供水系统的正常运行。

为了解决上述技术中的不足，本文采用一种新型热冗余PLC在全变频供水系统的控制方法。系统配备的两只PLC，对整个系统的控制逻辑完全一致,正常工作时两套PLC一直处于一主一备的热冗余状态，由一套PLC执行逻辑运算控制，另一套PLC处于热备待机状态。当主用机发生断电、损坏、死机等故障时，冗余温备的PLC能在最短时间内响应并投入运行控制，同时后期的故障维护过程在不牺牲过程控制的情况下进行，提高了整个系统的稳定性和有效性。

2.冗余PLC系统分析

2.1冗余PLC系统结构组成

图1：系统结构组成

如图1所示此控制系统主要由变频器(VVVF1~3)、冗余PLC(PLC1~2)、触摸屏(HMI)、低压元器件等系统组成。PLC配置3个通讯接口，冗余PLC之间采用自由口通讯保障数据的传输，PLC与变频器采用MODBUS-RTU通讯读取变频器参数控制变频器的启停，PLC与触摸屏采用PPI通讯实现人机互换。

2.2冗余PLC系统过程分析

系统启动后，PLC通过Port0口进行自由通讯，PLC将获取到对方的数据与自身的数据相比较，最终确认PLC的主备状态。主PLC与备用PLC所用始终数据保持同步，主用PLC执行逻辑运算与控制，备用PLC则一直处于热备状态。若主用PLC发生故障（硬件故障）或者备用PLC从主PLC获取不到数据（软件故障），备用PLC会再次向主PLC发送数据请求，若主PLC无答复或者答复数据异常，备用PLC将自动启动接管主用PLC的输入输出控制和通讯链路，保证系统的正常运行。当备用PLC投入运行时，其故障的检测和全变频恒压供水原理与主用PLC相同。

PLC通过Port1口与变频器通讯，实时采集二次供水系统中的管网压力、电机频率、电机电流、电机电压、电机转速等数据；通过Port2口与HMI人机界面连接,完美的呈现供水系统的实时数据，并实现人机互动。

2.3 冗余PLC冗余切换程序编写

PLC1程序

MAIN

LD SM0.1 // 调用通讯初始化参数

CALL SBR0

LD SM0.0

LDB=SMB86，0 // 接收延时判断

TON T37 10 // 接收超时判断PLC2故障

LDB=VB201，1

TON T38 5 // PLC2处于 “RUN_Err”状态判断PLC2故障

LDB=VB202，1

TON T39 5 // PLC2“I/O”故障，判断PLC2故障

LD T37

O T38

O T39

= M20.0 // PLC2故障

LD M20.0

= M20.1 // PLC2故障，系统自动切换PLC1为主PLC

LDN M20.0

= M20.2 //PLC1，PLC2均无故障默认PLC1为主PLC

SBR0程序(通讯子程序，定义通讯基本数据)

LD SM0.0

MOVB 16#09，SMB30 // 定义PROT0通讯方式

MOVB 2#10110000，SMB87 // 开通接收

MOVB 16#0D, SMB89 // 定义终止符检测信息为：”16#0D”

MOVW 5，SMW90 // 定义空闲时间

MOVB 14，SMB94 // 定义最大接收字节为：14

LD SM0.0

MOVB 50，SMB34 // 定义时间中断的时基为：50ms

ATCH INT0，10 // 声明定时中断

LD SM0.0

ATCH INT1, 9 // 声明发送完成中断

ATCH INT2, 23 // 声明接收完成中断

ENI // 允许开启中断

INT0程序(定时中断，定义发送信息)

LD SM0.0

MOVB 3， VB100 // 定义发送字节长度为：3

MOVB SMB4, VB101 //定义发送第一个字节为：SMB4(判断PLC是否处于RUN_Err状态)

MOVB SMB5, VB102 // 定义发送第二个字节为:SMB5(判断I/O是否有异常)

MOVB 16#0D, VB103 // 定义终止符为：“16#0D”

XMT VB100， 0

INT1程序(发送完成开始接收数据)

LD SM0.0

DTCH 10 // 发送完成关闭定时中断

LD SM0.0

RCV VB200，0 // 开时接收数据并将接收数据储存在VB200中

INT2程序（接收完成开始发送数据）

LD SM0.0

ATCH INT0, 10 // 开启定时中断

PLC2程序

MAIN

LD SM0.1

CALL SBR0

LDB=SMB86，0 // 接收延时判断

TON T37 10 // 接收超时判断PLC1故障

LDB=VB201，1

TON T38 5 // PLC1处于 “RUN_Err”状态判断PLC1故障

LDB=VB202，1

TON T39 5 // PLC1”I/O”故障，判断PLC1故障

LD T37

O T38

O T39

= M20.0 // PLC 1故障

LD M20.0

= M20.1 // PLC1故障系统自动切换PLC2为主PLC

SBR0程序(通讯子程序，定义通讯基本数据)

LD SM0.0

MOVB 16#09，SMB30 // 定义PROT0通讯方式为由口

MOVB 2#10110000，SMB87 // 开通接收

MOVB 16#0D, SMB89 // 定义终止符检测信息为：”16#0D”

MOVW 5，SMW90 // 定义空闲时间

MOVB 14，SMB94 // 定义最大接收字节为：14

LD SM0.0

ATCH INT1, 9 // 声明发送完成中断

ATCH INT0, 23 // 声明接收完成中断

ENI // 允许开启中断

LD SM0.0

RCV VB200 ,0 // 开时接收数据并将接收数据储存在VB200中

INT0程序（接收完成开始发送数据）

LD SM0.1

MOVB 2#110000，SMB87 //定义禁止接收

LD SM0.0

LD SM0.0

MOVB 50，SMB34 //定义时间中断的时基为：50ms

ATCH INT2，10 // 声明定时中断

INT1程序(发送完成开始接收数据)

LD SM0.1

MOVB 2#10110000，SMB87 // 定义允许接收

RCV VB200,0 // 开时接收数据并将接收数据储存在VB200中

INT2程序(定时中断，定义发送信息)

LD SM0.0

MOVB 3，VB100 // 定义发送字节长度为：3

MOVB SMB4，VB101 //定义发送第一个字节为：SMB4(判断PLC是否处于RUN状态)

MOVB SMB5，VB102 // 定义发送第二个字节为:SMB5(判断I/O是否有异常)

MOVB 16#0D, VB103 // 定义终止符为：“16#0D”

XMT VB100，0

LD SM0.0

DTCH 10 // 关闭定时中段

由上述逻辑程序可见冗余PLC系统不管是系统硬件故障或者是PLC自身软件故障系统均可以自由切换不影响整个系统正常运行。

3.冗余PLC在全变频供水系统的设计

3.1全变频供水系统工作原理

供水系统出口管路上压力传感器将采集的压力信号以4~20mA的模式传输至PLC，PLC通过运算将实时压力值在HMI呈现。PLC将实时压力与目标压力比较通过自身的PID计算控制变频器的输出频率，从而控制电机的转速保持管网压力恒定。用水量不大时，一台水泵变频运行维持压力恒定；当用水量增大时，供水系统出口压力下降，PLC调节输出增加变频器的频率直至压力稳定，诺用水量继续增加，可编程控制器运算调节输出最大频率至各台变频器，同时进行延时加泵判断；等满足加泵条件时供水压力仍低于目标压力系统自动起动另一台变频水泵，此时两台水泵处于同一频率运行；当供水压力达到设定值且用水量与用水量平衡时，水泵稳定在某一转速恒压供水；当用水量减少时可编程控制器输出的频率减小，当变频器的运行频率小于减泵频率(HMI可设定)系统自动退出先运行的变频泵，直至最后一台变频泵运行。当只有一台变频泵运行用水量很小(夜间)时，系统进入休眠状态停止水泵，一直到供水压力低于起泵压力，系统自动唤醒，重复上述过程。

3.2 全变频供水系统高效控制策略

以3台11KW变频器为例，当用水高峰期时三台水泵同时运行保证供水系统的压力恒定，此时系统的总输出功率为：3x11=33KW。当供水系统用水量减少时，变频器的输出频率随之下降，当PLC系统检测到3台水泵的总输出功率（33KW）小于两台水泵的总输出功率(2x11=22KW)此时的电机频率还未低于减泵频率时，PLC系统依据高效节能优先原则系统将自动切除一台水泵，剩余两台水泵恒压运行。同理可知两台水泵切换为一台水泵的功率为11KW。

3 .3全变频控制系统与单变频控制系统对比

图2 ：单变频控制系统水泵曲线图

图3：全变频控制系统水泵曲线图

通过图2与图3对比可见在相同的工矿下系统采用一台变频变频器，当一台水泵不能满足供水需求时则增加另外一台工频泵运行此时所需要的功率为：P=ρgh/3600x175;采用全变频供水系统，一台泵配置一台变频器，当一台泵不能满足供水需求时增加的另外一台泵仍为变频调节此时所需要的功率为：P=ρgh/3600x164，全变频控制系统比单变频控制系统每秒大约节约7%的能耗。降低了设备的能耗；降低了系统爆管的风险系数、提高系统的工作效率。

4.结论

本文围绕着冗余PLC在全变频供水系统中的应用进行了理论和实验上的研究，通过实验数据可知此系统具有响应速度快、自动化程度高、安全可靠、高效节能等一系列的优点，是现阶段优选的可靠的设计方案。

参考文献

[1]张永飞.姜秀玲. PLC及应用. 大连：大连理工大学出版社.2009

[2]胡寿松. 自动控制原理. 北京：科学出版社.2013

[3]GB-T37892-2019:数字集成全变频恒压供水设备，控制系统规范