西門子S7系列PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　實現(xiàn)城市21世紀經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，水資源是重要保障條件。只有加強水資源的統(tǒng)一管理，合理開發(fā)利用，才能促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。目前我國泵站效率低，供水運行仍處于較落后的管理狀態(tài)，水資源浪費現(xiàn)象十分嚴重，不能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需要。供水網(wǎng)絡(luò)引入計算機等先進技術(shù)，提高泵站管理水平，采用供水優(yōu)化調(diào)度，不僅能節(jié)省大量能源，而且使管網(wǎng)能在合理的狀態(tài)下運行，既保證供水的要求，也能使管網(wǎng)在最佳狀態(tài)下運行。因此，如何科學(xué)地規(guī)劃新的或改建舊的供水系統(tǒng)，如何科學(xué)地進行供水調(diào)度，是擺在人們面前的一個需要解決的問題。

　　國外的供水系統(tǒng)調(diào)度運營普遍利用計算機完成，這一系統(tǒng)稱之為監(jiān)控系統(tǒng)。其功能是通過遙訊系統(tǒng)，把應(yīng)保證的供水系統(tǒng)關(guān)鍵點的實際壓力值遙測采集到監(jiān)控中心，利用計算機進行計算、預(yù)測和決策，然后遙控調(diào)整供水，來保證供水系統(tǒng)的關(guān)鍵點達到水量保證值。同時在供水系統(tǒng)發(fā)生爆管、漏水等事故時，可以自動進行分析做出合理的處理決策，以保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟的運營.

　　2 系統(tǒng)概述

　　整個供水系統(tǒng)主要包括兩大部分：水源地引水采集系統(tǒng)及水廠恒壓輸水系統(tǒng)。

　　水源地引水采集系統(tǒng)主要由6組現(xiàn)地供水井群組成。每組供水井群由一個現(xiàn)地井群集中控制室及5眼水井組成,每眼水井有一現(xiàn)地控制井房。現(xiàn)地井群集中控制室設(shè)有本組水井高低壓配電系統(tǒng)及本組水泵啟停集中控制系統(tǒng)。5眼水井分別為1眼深井及4眼淺井，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#井，其中1#及2#井分布在集中控制室，3、4、5#井以集中控制室為中心呈分布式分布。

　　現(xiàn)地6組井群共30眼井的引水通過20余公里的輸水管線輸送到水廠，再由供水泵群給城市居民供水。

　　水廠控制網(wǎng)絡(luò)主要由總控室中心、高低壓配電系統(tǒng)、蓄水池、加藥泵房、二泵房組成。其中總控室中心是整個系統(tǒng)的核心。二泵房共有5臺供水泵組成，其中55KW變頻泵1臺，75KW變頻泵2臺，75KW軟啟泵2臺，主要完成對城市的變頻恒壓供水；總控室中心作為整個供水系統(tǒng)的監(jiān)控調(diào)度中心，負責(zé)整個供水系統(tǒng)的5臺輸水泵及30眼水井泵的集中調(diào)度與控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

　　3.1設(shè)計依據(jù)

　　（1）系統(tǒng)設(shè)計能力為5萬噸/24小時，平均供水2083.3立方米/小時；

　　（2）水源地有30個水泵供水，其中6臺水泵分別由30KW的電機驅(qū)動，24個水泵由11KW的電機驅(qū)動；

　　（3）水廠有2個5000立方米的蓄水池，共計10000立方米；

　　（4）最終控制對象是水廠蓄水池水位及出水口壓力；

　　（5）水源地與自來水廠蓄水池的距離為20公里；

　　（6）每個單井泵的運行要求有手動、自動和遠程控制三種方式；

　　（7）每5個單井為一個井群，每一井群設(shè)一本地集中控制室，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各單井泵的運行，實現(xiàn)泵群的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運行；

　　（8）水廠設(shè)一總控室，作為遠程監(jiān)控站點，實現(xiàn)遠程集中管理和調(diào)度。

　　3.2設(shè)計原則

　　（1）先進性原則：控制方案功能強、技術(shù)先進、合理。采用先進的體系結(jié)構(gòu)，選用先進成熟的技術(shù)和設(shè)備及軟硬件平臺，營造高起點的系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用環(huán)境，使系統(tǒng)能隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷平滑升級。

　　（2）安全性、可靠性原則：設(shè)備運行可靠、性能穩(wěn)定。方案中所選擇的每個元件和設(shè)備其MTBF必須滿足系統(tǒng)運行要求；設(shè)備應(yīng)具有自檢、自診斷功能；系統(tǒng)應(yīng)能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，避免發(fā)生事故，局部故障不造成錯誤輸出，并能自動報警；現(xiàn)地單井站應(yīng)具有必要的冗余配置；信息采集及控制輸出，要考慮多重軟件硬件閉鎖。

　　（3）實用性原則：應(yīng)充分考慮利用資源，能使用戶最方便地實現(xiàn)各種功能。實現(xiàn)供水泵運行優(yōu)化合理調(diào)度；充分考慮用戶的使用頻度和應(yīng)用程度，設(shè)置系統(tǒng)控制流程、合理設(shè)計存儲和服務(wù)體系，使操作、維護簡單方便。

　　（4）經(jīng)濟性原則：采用最合理的方案，最大程度的保護廠方原有的投資。使設(shè)備運行經(jīng)濟節(jié)能、運行維護費用低；達到最優(yōu)的性能/價格比。

　　（5）開放性原則：系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用開放技術(shù)、開放結(jié)構(gòu)、開放系統(tǒng)組件和開放用戶接口，以利于網(wǎng)絡(luò)的維護、擴展升級及外界信息的溝通，易于擴展，以降低二次投資。

　　（6）靈活性原則：采用積木式模塊組合和結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使系統(tǒng)配置靈活，滿足系統(tǒng)逐步到位的建網(wǎng)原則，使網(wǎng)絡(luò)具有強大的可增長性和強壯性，。

3.3設(shè)計思路

　　水廠水源地引水及變頻恒壓供水系統(tǒng)總體按以下幾部分來設(shè)計：

　　（1）水源地取水。在水源地分布有30眼水井，由30臺水泵進行輸水。每臺水泵的引水啟停、運行時間分為三種方式控制：手動、本地集中及遠程。手動控制：即水泵的啟停完全由人工現(xiàn)場控制；本地集中：即水泵的啟停受本組井群的本地集中控制系統(tǒng)控制；遠程：即水泵的啟停受遠程中心控制系統(tǒng)的總體控制。

　　本部分主要又分以下幾個單元：

　　a.現(xiàn)地站單井控制系統(tǒng)；

　　b.現(xiàn)地站井群控制系統(tǒng)；

　　c.上位中心控制系統(tǒng)；

　　d.現(xiàn)地站網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)；

　　e.中心站與現(xiàn)地站無線網(wǎng)路通訊系統(tǒng)。

　　（2）水廠蓄水。水廠將水源地來水蓄積在2個蓄水池內(nèi)，每個蓄水池均有一個水位計監(jiān)測蓄水池水位。水源地井泵的啟停以水廠蓄水池的水位為控制目標。

　　（3）水廠變頻恒壓供水。通過二泵房5臺供水泵向城市供水。本部分主要包括以下幾個單元：

　　a.水廠信號采集系統(tǒng)；

　　b.二泵房電氣供電系統(tǒng)；

　　c.二泵房控制系統(tǒng)。

　　（4）總控室中心控制系統(tǒng)。所有水源地單井泵的啟停供水以及水廠輸水泵的變頻恒壓輸水均由總控室中心控制系統(tǒng)來控制，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的合理調(diào)度、管理及監(jiān)控。

　　3.4主要設(shè)備選型

　　3.4.1可編程序控制器PLC

　　可編程序控制器PLC選用SIEMENS可編程控制器S7-200及S7-300。

　　S7-200系列可編程控制器，是西門子公司的小型PLC，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7-200系列PLC出色的表現(xiàn)在以下幾個方面:極高的可靠性，及豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的oo內(nèi)置集成功能塊，實時特性，強勁的通信能力，豐富的擴展模塊。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中發(fā)揮其強大的功能。使其范圍可筱蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自控化控制。特別是在分布式控制系統(tǒng)中，其作為遠程現(xiàn)場控制單元，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有于自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等。

　　S7-300系列可編程控制器，用于多機架配置時連接主機架(CR)和擴展機架(ER)。S7-300通過分布式的主機架(CR)和3個擴展機架(ER)，可以操作多達32個模塊。運行時無需風(fēng)扇。能在不到0.6－0.1ms時間內(nèi)處理1024條二進制語句。由于純粹的二進制命令是不多見的，因此提供混合操作時的處理速度：用65％二進制語句和35％字操作，這位銳利的小CPU依舊能在0.8ms內(nèi)處理1K語句。具有高電磁兼容性和強抗振動，沖擊性，有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。

　　其主要性能：

　　(1)標準模塊構(gòu)成，包括CPU、電源、輸入輸出（I/O）和通信模塊。

　　(2)PLC具有通訊及編程接口，能夠通過現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)傳輸、遠方監(jiān)控和遠方組態(tài)編程。

　　(3)PLC在脫離上級控制中心后，仍能夠?qū)λ刂频木眠M行正確、無誤地操作。

　　(4)PLC在完成所要求的功能外，有20%的硬件裕量，包括過程信號輸入/輸出（I/O）容量和內(nèi)存容量。

　　(5)PLC電源為交流220V。

　　(6)PLC具有高可靠性，能在無空調(diào)、無凈化設(shè)備、無專門屏蔽措施的井房旁正常工作。

　　(7)PLC的輸入/輸出（I/O）插件為標準單元，同類插件能互換，模塊便于更換和維護。

　　(8)PLC的數(shù)字輸入信號有光電隔離和濾波措施，每個數(shù)字量輸入和輸出都有LED指示狀態(tài)。

　　(9)PLC的I/O接口滿足如下要求：

　　a.數(shù)字量輸入（DI）：由獨立的常開或常閉無源接點提供，輸入回路由獨立電源供電。設(shè)接點抖動濾波措施，接點狀態(tài)改變后，其持續(xù)時間為4～6ms以上者，視為有效信息。信號輸入都經(jīng)光電隔離和浪涌吸收回路，光電隔離器能承受1500V(RMS)、1min的絕緣水平，如有必要可考慮對從高壓設(shè)備引入的信號加設(shè)中間繼電器。每個數(shù)字輸入端口都有一個LED指示器顯示其狀態(tài)。

　　b.模擬量輸入（AI）：一般電氣模擬量為4～20mA,接口的輸入阻抗小于500Ω，現(xiàn)地控制單元具有高精度的內(nèi)部參考值，以校驗A/D轉(zhuǎn)換器在零值和滿刻度的讀數(shù)。可對A/D轉(zhuǎn)換精度自動檢驗或校正。模擬輸入接口參數(shù)滿足：

　　√A/D分辯率：12位（可含符號位）；

　　√轉(zhuǎn)換精度：包括接口和A/D轉(zhuǎn)換，誤差小于滿量程的±0.1％；

　　√絕緣耐壓：500V(RMS)，1min；

　　√沖擊耐壓：IEEESWC試驗標準。

　　c.數(shù)字量輸出(DO)：

　　√數(shù)字量輸出接點的容量、數(shù)量和電壓滿足控制對象的要求，并留有充分的裕度。僅用于信號顯示的開關(guān)量輸出可直接驅(qū)動LED指示器，用于反映位置狀態(tài)或故障信號。

　　√輸出繼電器為插入式，帶防塵罩，繼電器耐壓水平：1500V(RMS)，1min。

　　√每一數(shù)字輸出有LED指示器反映其狀態(tài)。

　　√瞬時的數(shù)字量輸出信號持續(xù)時間為可調(diào)。

　　3.4.2出口繼電器

　　PLC的出口繼電器為完成斷路器的分閘、接觸器的操作、故障報警等功能而設(shè)，并起到PLC的模板輸出與外部電路隔離的作用。繼電器的接點數(shù)量滿足工作要求并留有裕量。繼電器采用插入式安裝，低耗且防塵。

　　主要性能：

　　(1)線圈額定工作電壓Ue：DC24V；

　　(2)動作電壓：≥75%Ue；

　　(3)釋放電壓：≤10%Ue；

　　(4)接點容量：AC220V5A；

　　(5)耐壓水平不低于1500V（RMS）1min。

　　3.5系統(tǒng)總體性能

3.5.1實時性

　　遠程監(jiān)控調(diào)水系統(tǒng)的響應(yīng)能力滿足數(shù)據(jù)采集、人機通信、控制功能和系統(tǒng)通信的時間要求。

　　(1)數(shù)字量采集周期：＜1s;

　　(2)模擬量采集周期：電量＜2s，非電量＜10s;

　　(3)事件順序記錄分辨率：≤5ms;

　　(4)實時數(shù)據(jù)庫更新周期：＜2s;

　　(5)控制命令響應(yīng)時間：控制命令回答響應(yīng)時間＜1s；接受執(zhí)行命令到執(zhí)行控制的響應(yīng)時間＜1s;

　　(6)人機通信響應(yīng)時間：運行人員發(fā)出一個新的圖像調(diào)用命令開始到100%畫面顯示在顯示器上為止的響應(yīng)時間不超過2s；在已顯示畫面上動態(tài)數(shù)據(jù)更新周期不超過2s。

　　3.5.2安全性

　　(1)操作安全性的保證措施：

　　a.對本系統(tǒng)各項功能和每一次操作提供檢查和校核，發(fā)現(xiàn)有誤時能報警或撤消。

　　b.當操作有誤時，能自動被禁止動作。

　　c.在人機通信中設(shè)操作員控制權(quán)口令。

　　(2)通信安全性的保證措施：

　　a.系統(tǒng)設(shè)計可保證信息傳送中的錯誤不會導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)鍵性故障。

　　b.監(jiān)控中心與現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)的通信包括控制信息時，對有否響應(yīng)作出明確肯定的指示。當通信失敗時，可考慮2～5次重復(fù)通信并報警。

　　c.通道設(shè)備上提供適當?shù)臋z查手段，以證實通道正常。

　　(3)硬件、軟件和固件安全性的保證措施：

　　a.有電源故障保護。

　　b.有自檢能力，檢出故障時能自動顯示報警。

　　c.任何硬件和軟件的故障都不會危及系統(tǒng)的完善和人身的安全。

　　d.系統(tǒng)中任何單個元件的故障不會造成生產(chǎn)設(shè)備的誤動。

　　4控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)

　　整個系統(tǒng)的工藝流程圖如圖2所示。

圖2 供水系統(tǒng)工藝流程圖

　　4.1單井現(xiàn)地控制系統(tǒng)

　　單井現(xiàn)地控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)地單井的引水，主要由一現(xiàn)地控制柜組成。現(xiàn)地控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、通訊線纜及空氣開關(guān)、交流接觸器、中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈等低壓電氣組成，通過控制柜，實現(xiàn)單井泵的啟停引水控制。

　　單井控制單元中的可編程序控制器使用的是S7-222，它以Profibus現(xiàn)場總線與井群現(xiàn)地集中站相連，接收井群現(xiàn)地集中站S7-314的控制信號，完成整個單井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對電機啟動、停止等信號的邏輯控制。S7-222集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點，可連接2個擴展模塊，最大擴展至78路數(shù)字量I/O點或10路模擬量I/O點，6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，是具有擴展能力的，適應(yīng)性更廣泛的全功能控制器。

　　單井控制單元的控制柜柜門上布置有電壓表、電流表、啟動按鈕、停止按鈕、及手動/集中方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，這些設(shè)備有標簽標記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進線電壓；電流表指示電機運行電流；手動/集中轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動控制或本地集中(遠程方式)控制的轉(zhuǎn)換；啟動、停止按鈕控制水泵的啟動、停止，其信號輸入到PLC。水泵啟動時運行指示紅燈亮。具體操作：打開控制柜門，合上空氣開關(guān)然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動位置。啟動時按下啟動按鈕則水泵電機運行，這時運行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時按下停止按鈕即可，這時運行指示紅燈滅且電流表回零。

4.2井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)

　　井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)地本組井群5眼水井的統(tǒng)一引水控制，主要由一現(xiàn)地集中控制柜組成。現(xiàn)地集中控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、無線數(shù)傳電臺、通訊線纜及中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈等低壓電氣組成，通過集中控制柜，實現(xiàn)本組井群5眼水井泵的集中啟停引水控制。

　　井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)可編程序控制器使用的是S7-314，它通過Profibus現(xiàn)場總線與單井控制系統(tǒng)PLC相連，發(fā)送單井控制S7-222的控制信號；同時它通過CP340通訊處理器和無線數(shù)傳電臺FC-201與上位中心控制系統(tǒng)相連，完成整個井群現(xiàn)地集站的數(shù)據(jù)采集和傳送，實現(xiàn)對電機啟動、停止等信號的邏輯控制。

　　各井群現(xiàn)地集中單元中分別有一控制柜。在控制柜門上布置有一個電壓表、五個單井控制單元的電流表、啟動按鈕和停止按鈕、以及一個手動/本地集中/遠程方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，這些設(shè)備有標簽標記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進線電壓；五個電流表分別指示各個電機的運行電流；手動/本地集中/遠程方式轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動控制或本地集中控制或遠程方式控制的轉(zhuǎn)換；各啟動、停止按鈕分別控制各個水泵的啟動、停止，其信號輸入到PLC。水泵啟動時運行各自指示紅燈亮。具體操作：打開控制柜門，合上空氣總開關(guān)和各個水泵的空氣分開關(guān)，然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動位置。啟動時按下各個啟動按鈕則各水泵電機運行，這時各自運行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時按下停止按鈕即可，這時運行指示紅燈滅且電流表回零。

　　各井群現(xiàn)地集中單元中控制柜分別有一CP340通訊處理器和無線數(shù)傳電臺FC-201。CP340通訊處理器是串行通訊最經(jīng)濟，完整的解決方案。它可用在SIMATICS7-300和ET200M(S7作為主站)之中。對下列選項，可采用點到點的連接：如SIMATICS7和SIMATICS5可編程序控制器;許多其他廠商的系統(tǒng);打印機;調(diào)制解調(diào)器;機器人控制器;掃描儀條形碼閱讀器等.該模塊有三種形式的傳輸接口:RS232C(V.24)；20mA(TTY)；RS422/RS485(X.27)。可實現(xiàn)若干種標準的通訊協(xié)議，允許在各種不同的站上進行數(shù)據(jù)傳輸：ASCII，用于采用簡單的傳輸協(xié)議連接外部系統(tǒng)，如采用起始和結(jié)束字符。或帶塊校驗字符的協(xié)議可通過用戶程序詢問和控制接口的握手信號；打印機驅(qū)動器，用于在打印機上記錄下來過程狀態(tài)和事件；3964(R)，通過標準化的、開放的西門子3964(R)協(xié)議連接到西門子的裝置上或第三方部件上，包括一個帶有標準值的3964(R)驅(qū)動器和一個可配置的3964(R)驅(qū)動器。

　　4.3井群中心控制系統(tǒng)

　　井群中心控制系統(tǒng)（如圖3所示）主要實現(xiàn)現(xiàn)地6組井群30眼水井的水廠集中引水控制，主要由一井群中心控制柜組成。井群中心控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、無線數(shù)傳電臺、通訊線纜及按鈕、指示燈等低壓電氣組成，通過中心控制柜，實現(xiàn)現(xiàn)地井群30眼水井泵的集中啟停引水控制。

　　井群中心控制單元中使用的是S7-314，它通過一個CP340通訊處理器和無線數(shù)傳電臺FC-201與六個井群現(xiàn)地集中單元相連，發(fā)送給井群現(xiàn)地集中單元S7-314控制信號，完成整個井群中心控制站的數(shù)據(jù)采集和傳送，實現(xiàn)對水泵電機啟動、停止等信號的邏輯控制。

　　4.4二泵房控制系統(tǒng)

　　二泵房控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對城市的變頻恒壓供水。

　　二泵房共有5臺供水泵組成，其中55KW變頻泵1臺，75KW變頻泵2臺，75KW軟啟泵2臺。

　　二泵房內(nèi)PLC采用西門子的S7-314可編程控制器，通過Profibus現(xiàn)場總線與上位機相連，它是泵房內(nèi)控制柜的核心，接收上位機的控制信號控制變頻調(diào)速，實現(xiàn)對電機啟動、停止、復(fù)位等信號的邏輯控制；對壓力、流量、水位、電流、轉(zhuǎn)速等信號的采集和數(shù)值轉(zhuǎn)換；對電機等設(shè)備的過流、過壓保護等等。

　　變頻器采用SIEMENSECO系列變頻器。SIEMENSECO變頻器是SIEMENS公司推出的用于風(fēng)機、水泵等設(shè)備調(diào)速節(jié)能運行的專用變頻器。其主要特點是：

　　(1)ECO變頻器安裝調(diào)試容易，維護和運行費用低。由于變頻器的特定功能使其產(chǎn)品的成本降至最小，價格便宜，降低了整套系統(tǒng)的成本。

　　(2)ECO變頻器能夠精確地跟隨設(shè)定點，可使系統(tǒng)有更好的性能。

　　(3)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)采用了標準比例、積分、微分控制的閉環(huán)過程控制，并為反饋傳感器提供了標準電源。

　　(4)在運行噪聲的控制方面采用了自動開關(guān)頻率優(yōu)化，從而降低電機運行時的噪聲。

　　(5)ECO變頻器針對風(fēng)機、水泵節(jié)能運行的需要，設(shè)置了能量優(yōu)化控制程序，為在運行中搜尋最小能量消耗點，自動升高和降低電機電壓。當電機達到穩(wěn)定點的速度（即加速過程結(jié)束時）時通用變頻器即在這個速度下運行，而ECO變頻器此時開始分析電機的功率消耗。然后開始微小地升高或降低變頻器的輸出電壓來搜索最佳頻率，即最低的功率消耗。如果ECO變頻器檢測出在升高電機電壓時，功率消耗增加了，則變頻器的控制策略（能量優(yōu)化控制程序）就開始降低電機電壓，以搜索最低的功率消耗水平，如果檢測出在降低電機電壓時，功率消耗增加，則升高電機電壓。這樣就可搜尋到效率最高，功率消耗最小點并在此處運行。用這種優(yōu)化節(jié)能程序（典型）可節(jié)約2%～5%的額定容量的電能。

　　(6)在選擇ECO變頻器時，不能用它驅(qū)動額定功率比它大或者額定功率不足其一半的電機，否則會影響變頻器的性能甚至造成損壞。變頻調(diào)速的原理非常簡單，由于異步電動機的轉(zhuǎn)速為：n=120f(1-s)/p式中：n為電動機轉(zhuǎn)速，r/min；f為電源頻率，Hz；p為異步電動機磁極個數(shù)；s為轉(zhuǎn)差。所以，理論上說，只要改變f就能改變電機轉(zhuǎn)速n。

　　在設(shè)計變頻器工作方式時，設(shè)計了變頻器有手動、自動兩種運行方式。手動方式時，可以人工手動設(shè)置變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速；自動方式時，具體驅(qū)動方式為PLC利用PID控制原理自動控制變頻器的輸出頻率,PID的幾個關(guān)鍵參數(shù)值為：
a.測量值：為水廠出水口壓力值；

　　b.設(shè)定值：為上位機水廠出水口壓力設(shè)定值；

　　c.P、I、D參數(shù)值：為系統(tǒng)人工整定或自整定值。

　　系統(tǒng)根據(jù)PID控制回路的輸出控制信號，自動控制變頻器的輸出頻率來自動調(diào)節(jié)變頻泵電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水廠出水口壓力，使其始終穩(wěn)定在設(shè)定壓力附近。

　　泵房手動控制分為兩種情況：軟啟動器控制、變頻調(diào)速控制，其中1、號泵為55KW變頻泵變頻調(diào)速控制；2、3號泵為75KW變頻泵變頻調(diào)速控制；4、5號泵為75KW軟啟泵軟啟動器控制。每個水泵各有單獨的控制柜。

　　(1)軟啟動器控制：在控制柜門上布置有電壓表、電流表、啟動按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、軟啟運行指示燈、軟啟故障指示燈及手動/自動方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，這些設(shè)備有標簽標記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進線電壓；電流表指示電機運行電流；手動/自動方式轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動控制和集中控制的轉(zhuǎn)換；啟動、停止、復(fù)位按鈕對應(yīng)于手動時軟啟動器的啟動、停止、故障復(fù)位，其信號輸入到PLC然后由其判斷是否其它條件滿足執(zhí)行相應(yīng)操作。軟啟動器要手動啟動運行必須首先滿足以下條件：出水壓力小于6公斤；電機沒有過載故障；軟啟無故障；啟動控制回路無故障；手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)在手動位置。滿足以上條件時，若啟動按鈕按下，則軟啟啟動。以上條件不滿足時，軟啟不能夠啟動。當停止按鈕按下時，軟啟動器停止運行。軟啟動器啟動時運行指示紅燈亮，故障時故障指示綠燈亮。當軟啟故障時，按下復(fù)位按鈕，則軟啟復(fù)位。

　　具體操作：打開控制柜門，合上空氣開關(guān)然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動位置。啟動時按下啟動按鈕如果啟動條件滿足則軟啟帶動電機運行，這時運行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時按下停止按鈕即可，這時運行指示紅燈滅且電流表回零。當發(fā)現(xiàn)故障指示綠燈亮?xí)r按下復(fù)位按鈕，如果故障指示綠燈滅則恢復(fù)正常。

　　(2)變頻調(diào)速控制：變頻器控制的啟動、停止、復(fù)位操作和電壓、電流、運行、故障指示與軟啟動器控制完全相同，唯一不同的是控制柜面板上增加一個模擬電位器，通過按標簽指示旋轉(zhuǎn)電位器可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，這時電機的轉(zhuǎn)速可以通過變頻器面板上的頻率指示線性反應(yīng)。

　　4.5總控室中心控制系統(tǒng)

　　總控室中心控制單元選用帶PROFIBUS-DP網(wǎng)卡（CP5611）接口的工控機WINCC為總主站，通過Profibus現(xiàn)場總線與二泵房控制單元中的S7-314和井群中心控制單元中的S7-314相連。其中，以井群中心控制單元中的S7-314為主站，井群現(xiàn)地控制單元中的S7-314為從站（此為電臺通信）；以井群現(xiàn)地控制單元中的S7-314為主站，單井控制單元中的是S7-222為從站，形成了多級遠程分布式控制系統(tǒng)。它通過二泵房控制單元中的S7-314在每一個信息周期內(nèi)收集變頻器狀態(tài)、閥門狀態(tài)、壓力、流量、水位等信息，把這些信息傳送到PC機，并把PC機的優(yōu)化信號送回，控制各水泵的啟停及轉(zhuǎn)速，配合閥門的控制達到優(yōu)化的目的。它通過井群中心控制單元中的S7-314控制水源地各水泵的啟停。

　　總控室中心控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能為：

　　(1)實時數(shù)據(jù)采集

　　a.單井水位、壓力、水泵運行狀態(tài)、故障情況等。

　　b.各電機電流、電壓等電氣參數(shù)。

　　(2)數(shù)據(jù)分析及處理：

　　a.對各種采集數(shù)據(jù)進行分析處理，形成歷史記錄，以便于查詢。

　　b.當水泵動力系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、過壓、過流、缺相等異常情況時能夠做出及時準確的反映。

　　c.報表、趨勢圖的查看和輸出：可以查看各個單井的各個監(jiān)測項目的相關(guān)報表，可以根據(jù)用戶需求顯示數(shù)據(jù)報表及趨勢圖。

　　(3)控制調(diào)節(jié)功能

　　監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)現(xiàn)場運行人員或上級控制中心的命令控制水泵電機，進行啟閉和停止操作；

　　(4)畫面顯示

　　a.水泵電機的啟、閉運行狀態(tài)實時顯示圖；

　　b.單井水位實時顯示圖；

　　c.動力系統(tǒng)參數(shù)實時顯示圖；

　　d.單井出口壓力實時顯示圖；

　　e.操作控制實時顯示圖；

　　f.各種報表、趨勢圖顯示；

　　g.故障報警實時顯示圖；

　　h.當前操作權(quán)限及操作人員監(jiān)控圖；

　　i.供電電源電氣接線圖；

　　j.監(jiān)控系統(tǒng)框圖；

　　(5)遠程通信：

　　監(jiān)控系統(tǒng)可以與上級各節(jié)點實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)通信。

　　(6)人機對話

　　通過監(jiān)控計算機，可輸入各種數(shù)據(jù)、更新修改各種文件、人工置入各種缺漏的數(shù)據(jù)、輸入各種控制命令等，實現(xiàn)各水泵電機運行的監(jiān)視和控制。

　　(7)安全驗證

　　用戶在進入監(jiān)控系統(tǒng)前必須經(jīng)過身份驗證，合法的用戶才能進入系統(tǒng)。系統(tǒng)的每一步操作都有權(quán)限限制。有足夠權(quán)限的用戶才能進行相應(yīng)的操作。

　　用戶進入或退出該系統(tǒng)，都有相應(yīng)的日志記錄，以方便查詢。對不具備操作權(quán)限的用戶，系統(tǒng)可給此用戶相應(yīng)的提示。

　　(8)軟件開發(fā)

　　在線和離線方式下，可方便地進行系統(tǒng)應(yīng)用軟件的升級、編輯、調(diào)試和修改等任務(wù)。

　　5 無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)

　　水廠與水源地采用無線數(shù)傳電臺FC-201進行通信，F(xiàn)C-201是具有較大發(fā)射功率(通過實驗，全天候滿足本工程45公里的要求)的半雙工數(shù)傳電臺。它采用MSK調(diào)制方式、兼容1200bps和2400bps兩種傳輸速率，誤碼率低，射頻頻率可覆蓋VFHIUFH頻段。FC-201既可進行數(shù)據(jù)傳輸，又可進行語音呼叫和通話。

　　FC-201具有以下特性:

　　(1)FC-201/E系列無線數(shù)傳電臺產(chǎn)品是利用先進的單片機技術(shù)，無線射頻技術(shù)，數(shù)字處理技術(shù)和語音處理技術(shù)設(shè)計的雙向數(shù)據(jù)傳輸，低功耗模塊化電臺，采用SMT新工藝，選用高質(zhì)量的元器件，技術(shù)指標滿足GB/T16611～1996《數(shù)傳電臺通用規(guī)范》要求。

　　(2)產(chǎn)品特點

　　數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，工作頻率穩(wěn)定。

　　工作頻率覆蓋12MHz，頻帶寬。

　　數(shù)據(jù)調(diào)制采FFSK方式，數(shù)據(jù)傳輸可靠。

　　存貯16個收、發(fā)信道，用戶可根據(jù)情況配置使用或由程序控制使用。

　　空中數(shù)據(jù)傳輸速率1200/2400bps。具有多種通訊協(xié)議，包容性強。

　　RS-232、UART二種接口可選，方便同各種儀表設(shè)備連接。。

　　接口可編程，根據(jù)用戶的需要編程控制數(shù)據(jù)傳輸，靈活方便。

　　內(nèi)置軟件看門狗，保證電臺長期可靠運行。

　　采用SMT組裝，制作工藝先進，集成度高。

　　(3)性能指標

　　頻率范圍：223～235MHz

　　信道間隔：25KHz/12.5KHz

　　頻率穩(wěn)定度：5ppm

　　調(diào)制方式：MSK

　　空中傳輸速率：2400/1200bps

　　發(fā)射輸出功率：50mW/500mW

　　接收靈敏度：≤0.25μV(12dBSINAD)

　　工作電源：5VDC

　　工作溫度：-20——+60℃

　　在本系統(tǒng)主要應(yīng)用以下技術(shù)：

　　(1)傳輸方式:通用模式，選址模式和透明模式。本工程選用透明模式，即數(shù)傳電臺只作為數(shù)據(jù)通道。

　　(2)數(shù)據(jù)接口:標準RS-232，可以于任何具有RS-232的終端設(shè)備相連進行數(shù)據(jù)交換。

　　(3)一機兩用:既可做數(shù)傳臺使用，也可完成語音的半雙供通信。

　　(4)調(diào)制方式:采用MSK方式調(diào)制，調(diào)制方式先進，數(shù)據(jù)傳輸可靠。

　　(5)工作頻率:覆蓋20MHz,頻帶寬。本工程選用水利系統(tǒng)專用頻段450MHz作為基頻進行發(fā)射與接收。

　　(6)內(nèi)置看門狗:可保證電臺長期運行。

　　6 結(jié)束語

　　本文綜合智能控制、計算機、網(wǎng)絡(luò)信息和現(xiàn)場總線技術(shù)，根據(jù)供水網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，通過對控制策略和現(xiàn)場總線技術(shù)的詳細分析，設(shè)計并建立了遠程區(qū)域網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)城市供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　作者簡介：

　　陳瑩女工程師主要研究方向：機電一體化

　　通信地址：山東省濟南市山東大學(xué)千佛山校區(qū)控制科學(xué)與工程學(xué)院何小虎收

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