基于S7-300的分布式變頻恒壓供水系統的設計與實施

　　一、設計背景與需求

　　隨著我國城市建設步伐的加快，高層建筑越來越多，其供水和消防用水的控制問題已迫在眉睫，急需解決。傳統的水塔供水方式存在許多實際問題，如頂層水箱結構和建筑設計、水箱易對水造成成二次污染、水塔供水經常造成水壓不穩、無法維持供水壓力的恒定等問題。近年來，隨著異步電動機變頻調速技術的迅速發展，居住區供水系統正逐步采用無塔變頻供水。利用變頻調速技術，不僅可使水泵供水系統取得顯著的節能效果，還可以極大地改善系統的工作性能，并能延長系統的使用壽命，克服了傳統供水方式的種種缺點。武漢某高層生活小區有近4000住戶，樓層高達32層，為了實現生活小區恒壓變頻供水，在每棟高層樓采用一臺SIMENS公司的S7-300型PLC、一臺變頻器和三臺軟起動器控制三臺150kW的三相異步電動泵，現場控制系統利用PLC的邏輯輸出控制變頻器、軟起動器，從而實現對三臺水泵即變速泵、恒速泵和備用泵的全方位控制，達到了恒壓供水的目的。同時，又通過Profibus-DP總線將各棟樓的現場控制單元的控制信息集中在智能小區中控室的MIS計算機上，實現了小區的分布式變頻恒壓供水，取得了良好的技術效益和經濟效益。

　　二、系統架構

　　1.系統架構圖

　　由于生活小區樓棟較多，為了使各樓棟水壓互不影響，同時便于檢修、維護，采用分布式控制的方式，即每棟樓安裝一個水壓調節現場監控單元，且每個現場控制單元均有現場控制，遠程控制兩種模式。現場控制單元由S7-300型PLC及其選用的功能模塊、變頻器、電機軟起動器以及三相交流離心水泵等組成。每個現場單元再通過Profibus現場總線將一些主要的運行參數、電氣的狀態參數上傳到物業管理中心的中控室的上位管理計算機上，實現對水壓等信息的監控，由此構成了生活小區的分布式恒壓供水監控系統。現場控制單元利用變頻器，主要是因變頻器具有過電壓、欠電壓、過電流、過載、短路、失速等自動保護功能，能實現電機軟起動，減小電氣和機械沖擊噪聲，延長設備使用壽命。系統設計正是利用變頻器這一特點來提高整個系統的可靠性、安全性和經濟性的。系統結構框圖如圖1所示。

　　圖1 系統架構圖

　　2.水壓調節工作原理

　　系統實際上是由變頻器驅動水泵向供水管路供水，由設在水泵排水管處的壓力傳感器反饋水泵工作信號，并與變頻器中的設定水壓值相比較構成閉環控制系統。即現場控制單元根據該樓供水系統的實際情況，設定供水系統的壓力值。當其用水量增加時，變頻器的輸出電壓和頻率升高，水泵轉速升高，泵口出水量增加;當用水量減少時，變頻器的輸出電壓和頻率降低，水泵轉速降低，泵口出水量減少，并始終保持管網壓力恒定，使其保持在事先設定的壓力值上。

　　變頻供水采用數字式增量PID調節方式，自動閉環調節回路調節的量是該樓供水系統的實際壓力值p和該樓水壓的參考壓力值Po相比較所產生的差值信號送PID調節器進行PID運算，其運算的結果轉換為適當的模擬控制信號送變頻器進行運轉控制，以達到運行壓力值p在任何流量狀態下始終接近于設定的參考壓力值Po。在進行PID調節時，比例調節反映系統偏差的大小，只要有偏差存在，比例調節就會產生控制作用，以減少偏差。微分調節根據偏差的變化趨勢來產生控制作用，它可以改善系統的動態響應速度。積分調節根據偏差積分的變化來產生控制作用，對系 統的控制有滯后的作用，可以消除靜態誤差。增大積分時間常數可提高靜態精度，但積分 作用太強，特別是在系統偏差較大時，會使系統超調量較大，甚至引起振蕩。本系統中，我們采用如下PID調節策略，組成智能控制系統。

　　1)實際水壓低于P1時，加快響應速度，水泵滿速運行。

　　2)實際水壓位于P1～P2范圍內時，避免積分飽和，分離積分項，采用PD控制。

　　3)實際水壓位于P2～P3范圍內時，采用PID控制。

　　4)實際水壓位于p3～p4范圍內時，采用自適應PID控制。

　　5)當實測水壓P>Po+O.lMPa且在采樣周期中，水壓持續上升，則軟起動器斷開;

　　6)在采樣周期中，水壓持續下降，則軟起動器開通，其他情況實行PID控制。

　　7)實測水壓大于p4時，關閉軟起動器電源。

　　|這種控制方法不僅考慮了實測水壓和設定水壓的偏差，而且考慮了實測水壓的變化趨勢，可減少超調和波動，具有自適應的效果。

　　p1、p2、p3、p4的選擇為：p1-po×94%，p2=po×97%，p3=po一0.2MPa，p4=po+0.2MPa。(po為設定水壓1.8MPa)

　　3.變頻調節過程

　　變頻恒壓供水控制系統通過監測到的管網壓力，經PLC的PID運算后，將控制信號送至壟器，調節變頻器的輸出頻率，實現管網的恒壓供水。為防止水錘現象的產生，泵的起停將采用I方式，即三臺水泵共一個出口閥門。系統供水有兩種基本運行方式：變頻泵固定方式和變頻泵徒方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵，可選擇“先開先關”和“先開后關”兩種水泵關閉序;變頻泵循環方式最多可以控制4臺泵，系統以“先開先關”的順序關泵。本系統采用變頻泵環方式，見圖1中各樓棟的現場控制單元圖。當系統開始工作時，壓力變送器將壓力信號送到PLC的Al模塊，假如水壓低于設定值，P起動升速程序，并按其設計好的程序控制變頻器的運行頻率使其逐漸上升，使電機起動且逐漸升j同時管網水壓也上升，當水壓升至水壓調節設定值時，泵機在此頻率下穩定運行，保持了水壓恒j若泵機頻率達到電網工頻時，水壓還未達到設定值，此時水壓調節系統自動發出控制信號，自動1號泵切換至工頻電網，接觸器K2斷開、K1吸合，變頻器輸出為零，PLC發出控制命令K4閉12#泵起動并調速至水壓達到設定值，使水壓恒定。3#泵一般作為備用泵。當用水量變化，如夜間用水量很低，水壓超過了設定值，則水泵輸出頻率降低至頻率為零時，K4斷開，2#泵停機，PLC發出控制指令，變頻器至工頻輸出，將1#泵工頻運行開關K1切斷，切換K2吸合并降頻，使水泵轉速降至設定值，使水泵穩定恒壓運行，整個系統可將用水量從最小至最大全面控制。水泵進行工頻和變頻電網切換過程應盡量快，各接觸器間的動作時間由PLC設定。

　　4.現場控制單元配置

　　現場控制單元的基本配置與模塊為：

　　1)電源模塊：PS307-IK，120/230V AC，24V DC /10A。

　　2) CPU315-2DP 64K字節I/O可擴展至1024點，帶1個Profibus-DP接口，它完成運行狀態參數的實時監測、實時邏輯判斷。CPU315有4種操作選擇：RUN-P、RUN、STOP和MRES運行方式。

　　3)模擬量輸入模塊：SM331(8路輸入)。它把壓力變送器輸出的模擬量轉換為數字信號，并將數字信號送到PLC的控制單元，供PLC做出狀態參數的邏輯判斷。

　　4)數字量輸入模塊：SM321。16路輸入2個，32路輸入1個，完成電動機運行狀態監測和電動機分批自起動系統運行、調試狀態監測，電動機運行狀態信號通過電動機操作回路中的接觸器輔助觸點接至該模塊。

　　5)數字量輸出模塊：SM322(輸出8路)。接受PLC控制單元的指令，完成電動機驅動信號輸出，通過出口中間繼電器，驅動電機操作回路，完成電動機分批自起動。

　　6)模擬量輸出模塊：SM332(A02×12位)，主要給變頻器提供O～10V控制信號，實時控制三相異步電動機的運行。

　　5.軟起動

　　SIKOSTART 3RW22軟起動器適用于中等負荷的電動機，可以使驅動系統不受電動機轉矩和起動電流等各方面的限制。新型的SIKOSTART 3RW22在三相異步電動機的軟起動和軟停止控制方面，以及在部分負載運行過程中節省電能方面具有獨特的優勢，可保證三相異步電動機起動平緩、運行輕便，以延長動力傳輸設備的使用壽命，并可減小系統起動時加在電動機接線柱上的電壓，完全消除了電流峰值和機械沖擊對電動機的影響，變速箱齒輪碰撞較輕，管道系統中用的泵驅動電動機不再產生沖擊壓力，降低了維修要求和運行成本。軟起動器對電源電壓也有正面作用，使電源不再受峰值電流的沖擊，同時具有本身免維護的優點。

　　軟起動器裝有包括控制器和接線器在內的旁路裝置，為了提高系統運行的可靠性，系統監控軟件可識別故障：當失相(如電壓過高或過低)、電源接線不正確和電動機故障時，系統都會發出報警信號。檢測到故障后，系統立即觸發必要的診斷程序。軟起動器參數是通過菜單式顯示屏輸入的，其缺省設置可縮短調試時間。

　　6.變頻器

　　MicroMaster420變頻器是一種模塊化設計的多功能標準變頻器。它友好的用戶界面、全新的 IGBT技術、模塊化結構設計、標準參數訪問結構、操作方便、強大的通訊能力、精確的控制性能和高可靠性都使本監控系統的可靠性、靈活性、安全性有所提高。

　　1)輸入為—380V/50Hz、2.3kW;

　　2)數字量輸入端經過繼電器組與PLC輸出的數字控制信號相連;

　　3)模擬量輸入端口與PLC的輸出的O～10V模擬信號相連，作為其控制信號。

　　具有如下功能：

　　1)在電源消失或故障時，具有“自動再起動”功能;

　　2)靈活的斜坡函數發生器，使起始段和結束段的平滑特性更佳;

　　3)快速電流限制(FCL)，防止運行中不應有的跳閘;

　　4)過電壓、欠電壓保護以及變頻器過溫保護、接地故障保護、短路保護、l2t電動機過熱保護

　　三、系統軟件設計

　　為了將分布式變頻恒壓供水監控程序無縫鏈接到小區的MIS系統中，我們采用了WinAC的OPC服務器的內核，上位機監控采用WinAC的PLC作主站，用微軟的Visual C++軟件開發監控人機交互界面，完成對水壓的實時控制和動態監視過程。其實現過程也比較容易，主要使 WinAC內嵌了STEP7編程軟件，主從PLC之間的通信接口可通過WinAC實現，而無須費力去開發。

　　用STEP編程軟件組態PLC主站和從站的配置，并對主機編程。該程序主要是處理主站的應用程序與實時控制的從站PLC之間的數據信息交換、報警事件的處理、兩個從站之間的運行協調和一些運行參數的存儲等。上位機應用程序通過WinLC (SIMATIC Windows Logic Controller)主機’向Profibus-DP上的從站S7-300 PLC發送命令，同時讀取從站PLC監測到的設備運行狀態、模擬量采樣數據和報警信息等。根據這些實時數據，系統在屏幕上動態顯示整個水壓的運行情況，包括水流方向、電導率、PH值、流量、溫度和泵閥的開，關狀態等。一旦發現故障報警信息，系統即顯示明顯的警示畫面，通過WinLC主機向各從站PLC發出停機命令，保存并記錄故障發生的時間、泵號和原因等原始數據，同時還可以根據要求保存所需要的歷史數據，定時、實時或按操作鍵打印所需的數據和信息。從站PLC程序采用STEP7設計，該主程序由自動運行程序、手動操作程序、狀態及故障檢測程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數據交換子程序和PID回路調節中斷程序等組成。由于采用Profibus-DP總線結構，因此從站PLC程序無須考慮與主站的通信問題，只需在已指定的輸入，輸出緩沖區中交換數據即可。同時，該從站PLC還可以脫離主站而單獨運行， PLC的程序框圖如圖3所示。

　　圖3現場控制單元的PLC控制程序框圖

　　四、結束語

　　變頻恒壓供水在高層生活小區的應用將越來越廣泛，主要是其控制性能好和具有顯著的節能效果，同時能夠實現自動加泵，減泵切換功能和故障診斷檢測與報警功能，水壓波動小，達到了預期的效果。Siemens公司在這一方面提供了許多的應用解決方案，如：分布式的控制器S7系列的PLC、專用于變頻供水的變頻器、以及保護電動機的軟起動器等，對用戶而言，僅僅需要系統集成和開發便可，大大降低了系統集成和開發的時間，提高了經濟效益，對系統開發者和使用者而言均是受益者，這正是SIEMENS品牌的獨特之處。