SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：某大学的低区恒压供水系统出现问题，不能提供部分区域的生活用水，严重影响到学校的行政办公和正常教学。因此，如何快速恢复供水显得尤其重要。对故障进行分析，系统由1个西门子的程序逻辑控制器(CPU SR30)、1台施耐德变频器(ATV212)、1个触摸屏操作面板(Wilo)、4台西门子电机和4台威乐水泵等硬件组成。在系统无法运行时，首先检查触摸屏的参数是否正确设置，再参考技术手册，了解变频器的主要参数和运行条件；当硬件检查和测量等常规的技术手段无法解决实际问题时，就需要运用工控软件的程序编写功能，修改PLC程序，更改备用输出点；在更改备用输出点还不能解决问题的情况下，须利用工控软件的在线监控和强制输出指令，协助判断故障原因，找出故障发生的具体位置；在确认故障系统CPU SR30模块DQb通道的公共点损坏时，采取短接K11继电器触点和修改触摸屏参数等技术手段和应急措施，实现快速恢复供水。实践证明：运用工控软件能有效解决自动化供水出现的难题，不仅可靠、准确，而且快速、方便，具有实际运用的参考价值。
关键词：运行许可；命令；给定；变频参数；触摸屏
Fault Diagnosis and Treatment of Constant Pressure Water Supply System
Zhang Liangming
(Mingzhe Group Co．，Ltd．，Shenzhen，Guangdong 518000，China)
Abstract：A problem occurred in the constant pressure water supply system in a low area of a university，which could not provide domestic water in some areas，seriously affecting the school's administrative office and normal teaching．Therefore，how to quickly restore water supply is particularly important．The fault was analyzed，the system consisted of a Siemens program logic controller(CPU SR30)，a Schneider inverter(ATV212)，a touch screen operation panel(Wilo)，four Siemens motors and four Wilo pumps and other hardware components．When the system failed to run，first，checked whether the parameters of the touch screen were set correctly，and then referred to the technical manual to understand the main parameters and operating conditions of the inverter，when the conventional technical means such as hardware inspection and measurement cannot solve the actual problem，it was necessary to use the program writing function of the industrial control software，modifying the PLC program，and changing the standby output point，if the problem cannot be solved by changing the standby output point，the online monitoring and forced output instructions of the industrial control software must be used to assist in judging the cause of the fault and finding out the occurrence of the fault．When it was confirmed that the common point of the DQb channel of the CPU SR30 module of the system was damaged，technical means and emergency measures such as short－circuiting the K11 relay contact and modifying the parameters of the touch screen were adopted to quickly restore the water supply．Practice has proved that the use of industrial control software can effectively solve the problems of automatic water supply，which is not only reliable and accurate，but also fast and convenient，and has practical reference value．
Key words：run permission；command；reference；inverter parameter；HMI
０引言
近年来，随着人们生活水平的提升，对供水要求也越来越高。基于ＰＬＣ的供水控制系统由可编程控制器、多种传感器、变频器构成，是一种闭环变频恒压控制系统［１］。变频恒压控制系统对泵的电机变频调速，依据压力变化经过控制器或者上位机的运算分析判断给出控制信号，控制泵电机转速，保持系统压力恒定，安全可靠，节能高效。不论是运行的经济性还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有一定的优势［２］。基于ＰＬＣ控制的变频调速系统目前已经广泛应用于高层建筑和工业生产中，能自动调节水压，满足人们的供水需求［３］。水是人类生命的源泉，是维持生命的重要物质。如何解决供水系统在使用过程中出现的故障，快速恢复供水，保障供水系统安全、稳定的运行，为人类提供赖以生存的水源尤其重要。自动化控制的恒压供水系统是比较复杂的，在实际应用中会遇到各种各样的电气故障，甚至出现比较隐蔽的、硬件检查和仪器检测等常规手段难以解决的技术故障。ＳＴＥＰ－７－ＭｉｃｒｏＷｉｎ－ＳＭＡＲＴ－Ｖ２．４是Ｓ７－２００ＳＭＡＲＴ工控软件，有强大的程序编写功能和丰富的用户指令，运用工控软件可以在线监视程序的输出状态，也能修改程序并强制Q点接通，为判断故障提供可靠的依据，方便准确找到故障位置。本文介绍的是利用工控软件在线监控PLC输出点的状态，修改程序中的输出点并强制接通，并用万用表测量输出点电压的方法来判断故障原因的实用技巧。
1故障分析
某高校九栋低区恒压供水系统不能正常运行，需要紧急排除故障。此供水系统是威乐(Wilo)公司制造，有4台水泵，由西门子S7－200SMART(CPU SR30)和施耐德ATV212变频器联合控制，通过触摸屏设定参数和监控设备状态。当设备出现故障时，先查看触摸屏的报警记录，检查设备的运行状态，再目测故障现象，参考系统资料，借助仪器、仪表等工具进行系统检测，有条件的可以运行S7－200SMART工控软件[4]，辅助判断故障原因。
1．1触摸屏界面检查
查看触摸屏报警信息，无故障记录；触摸屏主界面显示系统在运行状态；查看系统信息界面，4台水泵设在自动状态；这样，PLC根据模拟量反馈信号和水泵实际运行时间，通过CPU运算，自主确定启动水泵的数量；检查参数设定：“一般设定”“高级设定”“保护功能”和“策略控制”4项内容都正常。设定操作界面如图1所示[5]。
1．2图纸分析
要了解系统的结构和工作原理，必须从系统电气原理图入手，从图纸上分析：系统有4台水泵，分别命名为PUMP01、PUMP02、PUMP03、PUMP04，4台水泵受S7－200SMART控制。(Q0．0，Q0．1)控制PUMP01的变频或工频启／停；(Q0．2，Q0．3)控制PUMP02的变频或工频启／停；(Q0．4，Q0．5)控制PUMP03的变频或工频启／停；(Q0．6，Q0．7)控制PUMP04的变频或工频启／停；Q1．0在CPU检测到故障时，发出的故障信号，控制K12继电器线圈吸合，因此，K12继电器吸合，表示系统有故障；Q1．1控制K11继电器线圈，K11吸合，输出变频器的正向运行指令，同时接通系统散热风扇的电源。[0，0M]是模拟量输出通道，程序中对应的模拟量输出字是AQW16，此通道输出4~20 mA的变频器给定信号，[0＋，0－]是模拟量输入通道，在程序中对应的模拟量输入字是AIW16，此通道输入4~20 mA的压力传感器信号，[1＋，1－]是模拟量输入通道，在程序中对应的模拟量输入字是AIW18，此通道输入4~20 mA的变频器频率反馈信号，详细的PLC接线如图2所示，详细的I／O分配如表1所示[6]。
1．3变频器分析
1．3．1变频器接线分析
施耐德ATV212变频器有主接线回路和控制接线回路，下面主要介绍控制回路的接线：80和82号线是变频器正向运行命令接通或断开回路；5和6号线是变频器频率输出信号，此信号接入模拟量模块(EM AM03)的AIW18通道；888和65号线是变频器故障输出回路，控制K12继电器的吸合或断开；84和85号线是变频器给定频率的输入回路，从模拟量模块(EM AM03)的AQW16通道接入变频器的给定频率，如图3所示[6]。
1．3．2变频器参数的出厂设置
变频器的主要设定参数需要参考变频器手册，比如电机的控制模式(PT)，上限频率(UL)，频率低限(LL)，开关频率水平(F300)，自动斜坡(AU1)，自动功能设置(AU4)，命令模式(COND)，频率模式(FNOD)，F：正向运行(F111)，R：预置速度1(F112)，RES：清除故障(F113)，变频器已准备好运行(F110)等。一般来说，变频器运行的3个必要条件是：运行许可、命令、给定，分别对应图4所示的F110、F112、FNOD三个参数[4]。
1．3．3变频器所有修改过的参数
变频器参数修改以后，在Gru菜单中会有记录，调取变频器参数如表2所示，在Gru中，有两个参数是值得注意的，F110为0，表示变频器运行许可未启用；F111为56，表示变频器逻辑输入端子F(简称LIF)接通时，变频器的运行许可和正转命令同时满足条件，此时，由PLC模拟量模块(EM AM03)提供给变频器VIA通道4~20 mA的信号，变频器就会运行。
1．3．4变频器快捷菜单
变频器常用的主要参数放在快捷菜单，主要有自动加减速斜坡、加速时间1、减速时间1、频率低限、最高频率、电机热保护、AO标定、电机控制模式、电机额定频率、电机额定电压、电机额定电流、电机额定速度、电机电流限制、自整定变频器等，详细的设定方法如图5所示[4]。
1．4 PLC分析
1．4．1 PLC硬件分析
S7－200SMART(CPU SR30)的RUN指示灯为绿色，STOP和ERROR指示灯不亮，说明CPU SR30在正常RUN，将系统处于自动运行状态时，Q1．1(DQb的1号端子)指示灯亮，测量DQb输出1号端子无220 V电压，初步判定PLC的输出点损坏[7]。
1．4．2 PLC程序分析
当怀疑PLC的输出点损坏时，就需启动笔记本电脑，运行STEP－7－MicroWin－SMART－V2．4工控软件，打开程序文件，点击程序状态工具，就能在线监控程序，使用前需设置如图6所示的通信参数[8]。
IP地址：192．168．2．55
子网掩码：255．255．255．0
默认网关：198．168．2．1
笔记本电脑IP：192．168．2．199
如果用通过MPI(Multi Point Interface)接口连接CPU SR30，需要使用西门子MPI编程电缆，在RS485通信设置中设定通信地址为2、波特率为9600即可。
运行STEP－7－MicroWin－SMART－V2．4工控软件以后，点击程序块中的子程序SBR_ 19[SBR1]，再点击程序状态工具，可以监控Q1．1(变频器运行指令)的通／断状态，在接通的情况下，测量输出点是否有电压，可以判断输出点的好坏。当输出点损坏时，优先考虑使用备用输出点，具体做法是：在STEP－7－MicroWin－SMART软件中点击工具，将CPU置于STOP模式；再将SBR_ 19程序中的更改为，点击下载工具，下载修改后的程序到CPU的内存中；鼠标选择程序中的Q1．2，点击工具，强制备用输出点Q1．2接通，用万用表测量对应的输出端子的电压，如果电压正常，证明可以使用，更改相应的线路即可；用同样的方法测试Q1．3的好坏，因备用点都测不出220 V输出电压，确认DQb通道的公共点损坏，整个通道的输出点都无法使用，[SBR_ 19]子程序如图7所示[9]。
2诊断与措施
2．1故障诊断
通过触摸屏、图纸、变频器和PLC分析，可以看出，此次故障比较隐蔽。触摸屏没有故障记录；变频器没有故障显示；PLC处在正常RUN模式，能发出变频器运行指令，Q1．1输出指示灯点亮。但是，在用万用表测量时，此点的输出电压几乎为0V，正常电压是220 V左右，因此，确定Q1．1输出点损坏。在输出点损坏时，优先更换备用输出点，更换时须修改PLC程序中对应的输出点，修改后的程序需在CPU停止模式下载到CPU的内存中，点击STEP－7－MicroWin－SMART软件中的工具，重新将CPU置于RUN模式，调整输出线路即可；如果遇到通道的公共点损坏，CPU模块就无法再正常使用。此次检查中发现CPU的QDb通道的所有输出点都测不出220 V电压，判断为公共点损坏，只能更换新的CPU模块。联系厂家，经过沟通，到货时间是10 d左右。
2．2应急措施
10 d的采购时间比较长，如果系统不能供水的话，高校内故障区域将无水可用，这对学校的影响会很大，必须采取应急措施，恢复学校的正常供水。变频器不能运行，是因为无法接收启动命令，只需短接K11继电器上的80和82号线，手动接通变频器正转命令即可，接线如图8所示；由于是手动接通变频器的命令，因此变频器的启／停不受PLC控制，但是，PLC处在正常运行状态，大部分功能是正常的，系统压力信号能正常反馈到模拟量模块的AIW16通道，CPU通过PID运算以后，将给定频率通过AQW16传送到变频器的VIA通道；值得注意的是，当系统用水量为零时，系统压力会很快达到设定值，达到180 s的延时间，系统自动切断变频器的主回路接触器。面对这个问题，需将触摸屏的高级设定参数[0流量允许]由启用状态修改为关闭状态，系统就能稳定的运行。另外，考虑到系统长期运行的安全风险和节能的需求，在无人用水的夜间，手动切断系统电源，停止供水。
2．3更换C PU
新的CPU SR30到货后，需要即时更换CPU模块，CPU固定在DIN导轨上，接线端子也是可以拆卸的，更换CPU非常方便，但也要注意安全风险。安装或拆卸设备前，请切断PLC电源，如果在通电的情况下尝试安装或拆卸CPU或相关设备，则可能会触电或导致设备错误运行；如果在安装或拆卸过程中未切断PLC和相关设备的所有电源，则可能导致人员死亡、重伤或设备损坏。因此，在安装或拆卸CPU或相关设备之前，必须采取合适的安全预防措施并确保切断该PLC的电源[7]。
3结束语
基于PLC控制的变频调速恒压供水系统涉及程序逻辑控制和变频调速等前沿科学技术。电气图纸介绍的是系统结构和工作原理；技术手册介绍的是设备参数和使用方法。当遇到比较隐蔽的故障时，硬件检查和测量等常规的检测手段和处理方法，不足以解决复杂的技术问题。比如，PLC的输出点损坏，就需要借助于工控软件，通过修改PLC运行程序和强制输出等方法来测试和更换备用输出点；尤其是PLC输出的公共端损坏时，更需要借助于工控软件进行判定和确认。工控软件强大的程序编写功能和丰富的程序指令，能帮助提高判断问题的可靠性和准确性，为解决复杂的技术问题提供有效的技术支撑，值得借鉴和推广。
参考文献：
[1]张振军．基于PLC下变频调速恒压供水系统的设计与实现[J]．科技创新与应用，2017(27)：105－106．
[2]孙润喜．恒压控制系统方法及变频恒压控制系统的优势[J]．动力与电气工程，2020(5)：35－38．
[3]厉翔．基于PLC控制的智能变频恒压供水系统[J]．自动化控制理论与应用，2019(12)：4－6．
[4]施耐德公司．施耐德ATV212变频器手册[Z]．2014．
[5]威乐(中国)水泵系统有限公司．威乐供水机组调试运行手册－FY[Z]．2015．
[6]威乐(中国)水泵系统有限公司．九栋生活水泵电气图[Z]．2017．
[7]西门子．_zh－CHS[Z]．2016．
[8]西门子．STEP－7－MicroWin－SMART－V2．4[Z]．2016．
[9]西门子．大学低区PLC程序[Z]．2017．
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