一、設(shè)計(jì)背景與需求

　　隨著我國城市建設(shè)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(tǒng)的水塔供水方式存在許多實(shí)際問題，如頂層水箱結(jié)構(gòu)和建筑設(shè)計(jì)、水箱易對水造成成二次污染、水塔供水經(jīng)常造成水壓不穩(wěn)、無法維持供水壓力的恒定等問題。近年來，隨著異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，居住區(qū)供水系統(tǒng)正逐步采用無塔變頻供水。利用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可使水泵供水系統(tǒng)取得顯著的節(jié)能效果，還可以極大地改善系統(tǒng)的工作性能，并能延長系統(tǒng)的使用壽命，克服了傳統(tǒng)供水方式的種種缺點(diǎn)。武漢某高層生活小區(qū)有近4000住戶，樓層高達(dá)32層，為了實(shí)現(xiàn)生活小區(qū)恒壓變頻供水，在每棟高層樓采用一臺(tái)SIMENS公司的S7-300型PLC、一臺(tái)變頻器和三臺(tái)軟起動(dòng)器控制三臺(tái)150kW的三相異步電動(dòng)泵，現(xiàn)場控制系統(tǒng)利用PLC的邏輯輸出控制變頻器、軟起動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對三臺(tái)水泵即變速泵、恒速泵和備用泵的全方位控制，達(dá)到了恒壓供水的目的。同時(shí)，又通過Profibus-DP總線將各棟樓的現(xiàn)場控制單元的控制信息集中在智能小區(qū)中控室的MIS計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)的分布式變頻恒壓供水，取得了良好的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　二、系統(tǒng)架構(gòu)

　　1.系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　由于生活小區(qū)樓棟較多，為了使各樓棟水壓互不影響，同時(shí)便于檢修、維護(hù)，采用分布式控制的方式，即每棟樓安裝一個(gè)水壓調(diào)節(jié)現(xiàn)場監(jiān)控單元，且每個(gè)現(xiàn)場控制單元均有現(xiàn)場控制，遠(yuǎn)程控制兩種模式。現(xiàn)場控制單元由S7-300型PLC及其選用的功能模塊、變頻器、電機(jī)軟起動(dòng)器以及三相交流離心水泵等組成。每個(gè)現(xiàn)場單元再通過Profibus現(xiàn)場總線將一些主要的運(yùn)行參數(shù)、電氣的狀態(tài)參數(shù)上傳到物業(yè)管理中心的中控室的上位管理計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對水壓等信息的監(jiān)控，由此構(gòu)成了生活小區(qū)的分布式恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)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(dòng)保護(hù)功能，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)，減小電氣和機(jī)械沖擊噪聲，延長設(shè)備使用壽命。系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是利用變頻器這一特點(diǎn)來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　2.水壓調(diào)節(jié)工作原理

　　系統(tǒng)實(shí)際上是由變頻器驅(qū)動(dòng)水泵向供水管路供水，由設(shè)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(shè)定水壓值相比較構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。即現(xiàn)場控制單元根據(jù)該樓供水系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)定供水系統(tǒng)的壓力值。當(dāng)其用水量增加時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速升高，泵口出水量增加;當(dāng)用水量減少時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速降低，泵口出水量減少，并始終保持管網(wǎng)壓力恒定，使其保持在事先設(shè)定的壓力值上。

　　變頻供水采用數(shù)字式增量PID調(diào)節(jié)方式，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)的量是該樓供水系統(tǒng)的實(shí)際壓力值p和該樓水壓的參考壓力值Po相比較所產(chǎn)生的差值信號送PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID運(yùn)算，其運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)哪M控制信號送變頻器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)控制，以達(dá)到運(yùn)行壓力值p在任何流量狀態(tài)下始終接近于設(shè)定的參考壓力值Po。在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，比例調(diào)節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小，只要有偏差存在，比例調(diào)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。微分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢來產(chǎn)生控制作用，它可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來產(chǎn)生控制作用，對系 統(tǒng)的控制有滯后的作用，可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時(shí)間常數(shù)可提高靜態(tài)精度，但積分 作用太強(qiáng)，特別是在系統(tǒng)偏差較大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量較大，甚至引起振蕩。本系統(tǒng)中，我們采用如下PID調(diào)節(jié)策略，組成智能控制系統(tǒng)。

　　1)實(shí)際水壓低于P1時(shí)，加快響應(yīng)速度，水泵滿速運(yùn)行。

　　2)實(shí)際水壓位于P1～P2范圍內(nèi)時(shí)，避免積分飽和，分離積分項(xiàng)，采用PD控制。

　　3)實(shí)際水壓位于P2～P3范圍內(nèi)時(shí)，采用PID控制。

　　4)實(shí)際水壓位于p3～p4范圍內(nèi)時(shí)，采用自適應(yīng)PID控制。

　　5)當(dāng)實(shí)測水壓P>Po+O.lMPa且在采樣周期中，水壓持續(xù)上升，則軟起動(dòng)器斷開;

　　6)在采樣周期中，水壓持續(xù)下降，則軟起動(dòng)器開通，其他情況實(shí)行PID控制。

　　7)實(shí)測水壓大于p4時(shí)，關(guān)閉軟起動(dòng)器電源。

　　|這種控制方法不僅考慮了實(shí)測水壓和設(shè)定水壓的偏差，而且考慮了實(shí)測水壓的變化趨勢，可減少超調(diào)和波動(dòng)，具有自適應(yīng)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(shè)定水壓1.8MPa)

　　3.變頻調(diào)節(jié)過程

　　變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過監(jiān)測到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)PLC的PID運(yùn)算后，將控制信號送至壟器，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的起停將采用I方式，即三臺(tái)水泵共一個(gè)出口閥門。系統(tǒng)供水有兩種基本運(yùn)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(tái)泵，可選擇“先開先關(guān)”和“先開后關(guān)”兩種水泵關(guān)閉序;變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺(tái)泵，系統(tǒng)以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵。本系統(tǒng)采用變頻泵環(huán)方式，見圖1中各樓棟的現(xiàn)場控制單元圖。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，壓力變送器將壓力信號送到PLC的Al模塊，假如水壓低于設(shè)定值，P起動(dòng)升速程序，并按其設(shè)計(jì)好的程序控制變頻器的運(yùn)行頻率使其逐漸上升，使電機(jī)起動(dòng)且逐漸升j同時(shí)管網(wǎng)水壓也上升，當(dāng)水壓升至水壓調(diào)節(jié)設(shè)定值時(shí)，泵機(jī)在此頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，保持了水壓恒j若泵機(jī)頻率達(dá)到電網(wǎng)工頻時(shí)，水壓還未達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出控制信號，自動(dòng)1號泵切換至工頻電網(wǎng)，接觸器K2斷開、K1吸合，變頻器輸出為零，PLC發(fā)出控制命令K4閉12#泵起動(dòng)并調(diào)速至水壓達(dá)到設(shè)定值，使水壓恒定。3#泵一般作為備用泵。當(dāng)用水量變化，如夜間用水量很低，水壓超過了設(shè)定值，則水泵輸出頻率降低至頻率為零時(shí)，K4斷開，2#泵停機(jī)，PLC發(fā)出控制指令，變頻器至工頻輸出，將1#泵工頻運(yùn)行開關(guān)K1切斷，切換K2吸合并降頻，使水泵轉(zhuǎn)速降至設(shè)定值，使水泵穩(wěn)定恒壓運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)可將用水量從最小至最大全面控制。水泵進(jìn)行工頻和變頻電網(wǎng)切換過程應(yīng)盡量快，各接觸器間的動(dòng)作時(shí)間由PLC設(shè)定。

　　4.現(xiàn)場控制單元配置

　　現(xiàn)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(jié)I/O可擴(kuò)展至1024點(diǎn)，帶1個(gè)Profibus-DP接口，它完成運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)邏輯判斷。CPU315有4種操作選擇：RUN-P、RUN、STOP和MRES運(yùn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號送到PLC的控制單元，供PLC做出狀態(tài)參數(shù)的邏輯判斷。

　　4)數(shù)字量輸入模塊：SM321。16路輸入2個(gè)，32路輸入1個(gè)，完成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和電動(dòng)機(jī)分批自起動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)試狀態(tài)監(jiān)測，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號通過電動(dòng)機(jī)操作回路中的接觸器輔助觸點(diǎn)接至該模塊。

　　5)數(shù)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號輸出，通過出口中間繼電器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)操作回路，完成電動(dòng)機(jī)分批自起動(dòng)。

　　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(shí)時(shí)控制三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

　　5.軟起動(dòng)

　　SIKOSTART 3RW22軟起動(dòng)器適用于中等負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)，可以使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流等各方面的限制。新型的SIKOSTART 3RW22在三相異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和軟停止控制方面，以及在部分負(fù)載運(yùn)行過程中節(jié)省電能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可保證三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)平緩、運(yùn)行輕便，以延長動(dòng)力傳輸設(shè)備的使用壽命，并可減小系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)加在電動(dòng)機(jī)接線柱上的電壓，完全消除了電流峰值和機(jī)械沖擊對電動(dòng)機(jī)的影響，變速箱齒輪碰撞較輕，管道系統(tǒng)中用的泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不再產(chǎn)生沖擊壓力，降低了維修要求和運(yùn)行成本。軟起動(dòng)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(shí)具有本身免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

　　軟起動(dòng)器裝有包括控制器和接線器在內(nèi)的旁路裝置，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，系統(tǒng)監(jiān)控軟件可識(shí)別故障：當(dāng)失相(如電壓過高或過低)、電源接線不正確和電動(dòng)機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號。檢測到故障后，系統(tǒng)立即觸發(fā)必要的診斷程序。軟起動(dòng)器參數(shù)是通過菜單式顯示屏輸入的，其缺省設(shè)置可縮短調(diào)試時(shí)間。

　　6.變頻器

　　MicroMaster420變頻器是一種模塊化設(shè)計(jì)的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它友好的用戶界面、全新的 IGBT技術(shù)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)訪問結(jié)構(gòu)、操作方便、強(qiáng)大的通訊能力、精確的控制性能和高可靠性都使本監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、靈活性、安全性有所提高。

　　1)輸入為—380V/50Hz、2.3kW;

　　2)數(shù)字量輸入端經(jīng)過繼電器組與PLC輸出的數(shù)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(shí)，具有“自動(dòng)再起動(dòng)”功能;

　　2)靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，使起始段和結(jié)束段的平滑特性更佳;

　　3)快速電流限制(FCL)，防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘;

　　4)過電壓、欠電壓保護(hù)以及變頻器過溫保護(hù)、接地故障保護(hù)、短路保護(hù)、l2t電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)

　　三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　為了將分布式變頻恒壓供水監(jiān)控程序無縫鏈接到小區(qū)的MIS系統(tǒng)中，我們采用了WinAC的OPC服務(wù)器的內(nèi)核，上位機(jī)監(jiān)控采用WinAC的PLC作主站，用微軟的Visual C++軟件開發(fā)監(jiān)控人機(jī)交互界面，完成對水壓的實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)監(jiān)視過程。其實(shí)現(xiàn)過程也比較容易，主要使 WinAC內(nèi)嵌了STEP7編程軟件，主從PLC之間的通信接口可通過WinAC實(shí)現(xiàn)，而無須費(fèi)力去開發(fā)。

　　用STEP編程軟件組態(tài)PLC主站和從站的配置，并對主機(jī)編程。該程序主要是處理主站的應(yīng)用程序與實(shí)時(shí)控制的從站PLC之間的數(shù)據(jù)信息交換、報(bào)警事件的處理、兩個(gè)從站之間的運(yùn)行協(xié)調(diào)和一些運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)等。上位機(jī)應(yīng)用程序通過WinLC (SIMATIC Windows Logic Controller)主機(jī)’向Profibus-DP上的從站S7-300 PLC發(fā)送命令，同時(shí)讀取從站PLC監(jiān)測到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、模擬量采樣數(shù)據(jù)和報(bào)警信息等。根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在屏幕上動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)水壓的運(yùn)行情況，包括水流方向、電導(dǎo)率、PH值、流量、溫度和泵閥的開，關(guān)狀態(tài)等。一旦發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警信息，系統(tǒng)即顯示明顯的警示畫面，通過WinLC主機(jī)向各從站PLC發(fā)出停機(jī)命令，保存并記錄故障發(fā)生的時(shí)間、泵號和原因等原始數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以根據(jù)要求保存所需要的歷史數(shù)據(jù)，定時(shí)、實(shí)時(shí)或按操作鍵打印所需的數(shù)據(jù)和信息。從站PLC程序采用STEP7設(shè)計(jì)，該主程序由自動(dòng)運(yùn)行程序、手動(dòng)操作程序、狀態(tài)及故障檢測程序、初始化子程序、模擬量處理子程序、總線數(shù)據(jù)交換子程序和PID回路調(diào)節(jié)中斷程序等組成。由于采用Profibus-DP總線結(jié)構(gòu)，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(qū)中交換數(shù)據(jù)即可。同時(shí)，該從站PLC還可以脫離主站而單獨(dú)運(yùn)行， PLC的程序框圖如圖3所示。

　　圖3現(xiàn)場控制單元的PLC控制程序框圖

　　四、結(jié)束語

　　變頻恒壓供水在高層生活小區(qū)的應(yīng)用將越來越廣泛，主要是其控制性能好和具有顯著的節(jié)能效果，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加泵，減泵切換功能和故障診斷檢測與報(bào)警功能，水壓波動(dòng)小，達(dá)到了預(yù)期的效果。Siemens公司在這一方面提供了許多的應(yīng)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(hù)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)器等，對用戶而言，僅僅需要系統(tǒng)集成和開發(fā)便可，大大降低了系統(tǒng)集成和開發(fā)的時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益，對系統(tǒng)開發(fā)者和使用者而言均是受益者，這正是SIEMENS品牌的獨(dú)特之處。