基于S7-300的分布式变频恒压供水系统的设计与实施

　　一、设计背景与需求

　　随着我国城市建设步伐的加快，高层建筑越来越多，其供水和消防用水的控制问题已迫在眉睫，急需解决。传统的水塔供水方式存在许多实际问题，如顶层水箱结构和建筑设计、水箱易对水造成成二次污染、水塔供水经常造成水压不稳、无法维持供水压力的恒定等问题。近年来，随着异步电动机变频调速技术的迅速发展，居住区供水系统正逐步采用无塔变频供水。利用变频调速技术，不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果，还可以极大地改善系统的工作性能，并能延长系统的使用寿命，克服了传统供水方式的种种缺点。武汉某高层生活小区有近4000住户，楼层高达32层，为了实现生活小区恒压变频供水，在每栋高层楼采用一台SIMENS公司的S7-300型PLC、一台变频器和三台软起动器控制三台150kW的三相异步电动泵，现场控制系统利用PLC的逻辑输出控制变频器、软起动器，从而实现对三台水泵即变速泵、恒速泵和备用泵的全方位控制，达到了恒压供水的目的。同时，又通过Profibus-DP总线将各栋楼的现场控制单元的控制信息集中在智能小区中控室的MIS计算机上，实现了小区的分布式变频恒压供水，取得了良好的技术效益和经济效益。

　　二、系统架构

　　1.系统架构图

　　由于生活小区楼栋较多，为了使各楼栋水压互不影响，同时便于检修、维护，采用分布式控制的方式，即每栋楼安装一个水压调节现场监控单元，且每个现场控制单元均有现场控制，远程控制两种模式。现场控制单元由S7-300型PLC及其选用的功能模块、变频器、电机软起动器以及三相交流离心水泵等组成。每个现场单元再通过Profibus现场总线将一些主要的运行参数、电气的状态参数上传到物业管理中心的中控室的上位管理计算机上，实现对水压等信息的监控，由此构成了生活小区的分布式恒压供水监控系统。现场控制单元利用变频器，主要是因变频器具有过电压、欠电压、过电流、过载、短路、失速等自动保护功能，能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪声，延长设备使用寿命。系统设计正是利用变频器这一特点来提高整个系统的可靠性、安全性和经济性的。系统结构框图如图1所示。

　　图1 系统架构图

　　2.水压调节工作原理

　　系统实际上是由变频器驱动水泵向供水管路供水，由设在水泵排水管处的压力传感器反馈水泵工作信号，并与变频器中的设定水压值相比较构成闭环控制系统。即现场控制单元根据该楼供水系统的实际情况，设定供水系统的压力值。当其用水量增加时，变频器的输出电压和频率升高，水泵转速升高，泵口出水量增加;当用水量减少时，变频器的输出电压和频率降低，水泵转速降低，泵口出水量减少，并始终保持管网压力恒定，使其保持在事先设定的压力值上。

　　变频供水采用数字式增量PID调节方式，自动闭环调节回路调节的量是该楼供水系统的实际压力值p和该楼水压的参考压力值Po相比较所产生的差值信号送PID调节器进行PID运算，其运算的结果转换为适当的模拟控制信号送变频器进行运转控制，以达到运行压力值p在任何流量状态下始终接近于设定的参考压力值Po。在进行PID调节时，比例调节反映系统偏差的大小，只要有偏差存在，比例调节就会产生控制作用，以减少偏差。微分调节根据偏差的变化趋势来产生控制作用，它可以改善系统的动态响应速度。积分调节根据偏差积分的变化来产生控制作用，对系 统的控制有滞后的作用，可以消除静态误差。增大积分时间常数可提高静态精度，但积分 作用太强，特别是在系统偏差较大时，会使系统超调量较大，甚至引起振荡。本系统中，我们采用如下PID调节策略，组成智能控制系统。

　　1)实际水压低于P1时，加快响应速度，水泵满速运行。

　　2)实际水压位于P1～P2范围内时，避免积分饱和，分离积分项，采用PD控制。

　　3)实际水压位于P2～P3范围内时，采用PID控制。

　　4)实际水压位于p3～p4范围内时，采用自适应PID控制。

　　5)当实测水压P>Po+O.lMPa且在采样周期中，水压持续上升，则软起动器断开;

　　6)在采样周期中，水压持续下降，则软起动器开通，其他情况实行PID控制。

　　7)实测水压大于p4时，关闭软起动器电源。

　　|这种控制方法不仅考虑了实测水压和设定水压的偏差，而且考虑了实测水压的变化趋势，可减少超调和波动，具有自适应的效果。

　　p1、p2、p3、p4的选择为：p1-po×94%，p2=po×97%，p3=po一0.2MPa，p4=po+0.2MPa。(po为设定水压1.8MPa)

　　3.变频调节过程

　　变频恒压供水控制系统通过监测到的管网压力，经PLC的PID运算后，将控制信号送至垄器，调节变频器的输出频率，实现管网的恒压供水。为防止水锤现象的产生，泵的起停将采用I方式，即三台水泵共一个出口阀门。系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵徒方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”两种水泵关闭序;变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。本系统采用变频泵环方式，见图1中各楼栋的现场控制单元图。当系统开始工作时，压力变送器将压力信号送到PLC的Al模块，假如水压低于设定值，P起动升速程序，并按其设计好的程序控制变频器的运行频率使其逐渐上升，使电机起动且逐渐升j同时管网水压也上升，当水压升至水压调节设定值时，泵机在此频率下稳定运行，保持了水压恒j若泵机频率达到电网工频时，水压还未达到设定值，此时水压调节系统自动发出控制信号，自动1号泵切换至工频电网，接触器K2断开、K1吸合，变频器输出为零，PLC发出控制命令K4闭12#泵起动并调速至水压达到设定值，使水压恒定。3#泵一般作为备用泵。当用水量变化，如夜间用水量很低，水压超过了设定值，则水泵输出频率降低至频率为零时，K4断开，2#泵停机，PLC发出控制指令，变频器至工频输出，将1#泵工频运行开关K1切断，切换K2吸合并降频，使水泵转速降至设定值，使水泵稳定恒压运行，整个系统可将用水量从最小至最大全面控制。水泵进行工频和变频电网切换过程应尽量快，各接触器间的动作时间由PLC设定。

　　4.现场控制单元配置

　　现场控制单元的基本配置与模块为：

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

　　2) CPU315-2DP 64K字节I/O可扩展至1024点，带1个Profibus-DP接口，它完成运行状态参数的实时监测、实时逻辑判断。CPU315有4种操作选择：RUN-P、RUN、STOP和MRES运行方式。

　　3)模拟量输入模块：SM331(8路输入)。它把压力变送器输出的模拟量转换为数字信号，并将数字信号送到PLC的控制单元，供PLC做出状态参数的逻辑判断。

　　4)数字量输入模块：SM321。16路输入2个，32路输入1个，完成电动机运行状态监测和电动机分批自起动系统运行、调试状态监测，电动机运行状态信号通过电动机操作回路中的接触器辅助触点接至该模块。

　　5)数字量输出模块：SM322(输出8路)。接受PLC控制单元的指令，完成电动机驱动信号输出，通过出口中间继电器，驱动电机操作回路，完成电动机分批自起动。

　　6)模拟量输出模块：SM332(A02×12位)，主要给变频器提供O～10V控制信号，实时控制三相异步电动机的运行。

　　5.软起动

　　SIKOSTART 3RW22软起动器适用于中等负荷的电动机，可以使驱动系统不受电动机转矩和起动电流等各方面的限制。新型的SIKOSTART 3RW22在三相异步电动机的软起动和软停止控制方面，以及在部分负载运行过程中节省电能方面具有独特的优势，可保证三相异步电动机起动平缓、运行轻便，以延长动力传输设备的使用寿命，并可减小系统起动时加在电动机接线柱上的电压，完全消除了电流峰值和机械冲击对电动机的影响，变速箱齿轮碰撞较轻，管道系统中用的泵驱动电动机不再产生冲击压力，降低了维修要求和运行成本。软起动器对电源电压也有正面作用，使电源不再受峰值电流的冲击，同时具有本身免维护的优点。

　　软起动器装有包括控制器和接线器在内的旁路装置，为了提高系统运行的可靠性，系统监控软件可识别故障：当失相(如电压过高或过低)、电源接线不正确和电动机故障时，系统都会发出报警信号。检测到故障后，系统立即触发必要的诊断程序。软起动器参数是通过菜单式显示屏输入的，其缺省设置可缩短调试时间。

　　6.变频器

　　MicroMaster420变频器是一种模块化设计的多功能标准变频器。它友好的用户界面、全新的 IGBT技术、模块化结构设计、标准参数访问结构、操作方便、强大的通讯能力、精确的控制性能和高可靠性都使本监控系统的可靠性、灵活性、安全性有所提高。

　　1)输入为—380V/50Hz、2.3kW;

　　2)数字量输入端经过继电器组与PLC输出的数字控制信号相连;

　　3)模拟量输入端口与PLC的输出的O～10V模拟信号相连，作为其控制信号。

　　具有如下功能：

　　1)在电源消失或故障时，具有“自动再起动”功能;

　　2)灵活的斜坡函数发生器，使起始段和结束段的平滑特性更佳;

　　3)快速电流限制(FCL)，防止运行中不应有的跳闸;

　　4)过电压、欠电压保护以及变频器过温保护、接地故障保护、短路保护、l2t电动机过热保护

　　三、系统软件设计

　　为了将分布式变频恒压供水监控程序无缝链接到小区的MIS系统中，我们采用了WinAC的OPC服务器的内核，上位机监控采用WinAC的PLC作主站，用微软的Visual C++软件开发监控人机交互界面，完成对水压的实时控制和动态监视过程。其实现过程也比较容易，主要使 WinAC内嵌了STEP7编程软件，主从PLC之间的通信接口可通过WinAC实现，而无须费力去开发。

　　用STEP编程软件组态PLC主站和从站的配置，并对主机编程。该程序主要是处理主站的应用程序与实时控制的从站PLC之间的数据信息交换、报警事件的处理、两个从站之间的运行协调和一些运行参数的存储等。上位机应用程序通过WinLC (SIMATIC Windows Logic Controller)主机’向Profibus-DP上的从站S7-300 PLC发送命令，同时读取从站PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据和报警信息等。根据这些实时数据，系统在屏幕上动态显示整个水压的运行情况，包括水流方向、电导率、PH值、流量、温度和泵阀的开，关状态等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显的警示画面，通过WinLC主机向各从站PLC发出停机命令，保存并记录故障发生的时间、泵号和原因等原始数据，同时还可以根据要求保存所需要的历史数据，定时、实时或按操作键打印所需的数据和信息。从站PLC程序采用STEP7设计，该主程序由自动运行程序、手动操作程序、状态及故障检测程序、初始化子程序、模拟量处理子程序、总线数据交换子程序和PID回路调节中断程序等组成。由于采用Profibus-DP总线结构，因此从站PLC程序无须考虑与主站的通信问题，只需在已指定的输入，输出缓冲区中交换数据即可。同时，该从站PLC还可以脱离主站而单独运行， PLC的程序框图如图3所示。

　　图3现场控制单元的PLC控制程序框图

　　四、结束语

　　变频恒压供水在高层生活小区的应用将越来越广泛，主要是其控制性能好和具有显著的节能效果，同时能够实现自动加泵，减泵切换功能和故障诊断检测与报警功能，水压波动小，达到了预期的效果。Siemens公司在这一方面提供了许多的应用解决方案，如：分布式的控制器S7系列的PLC、专用于变频供水的变频器、以及保护电动机的软起动器等，对用户而言，仅仅需要系统集成和开发便可，大大降低了系统集成和开发的时间，提高了经济效益，对系统开发者和使用者而言均是受益者，这正是SIEMENS品牌的独特之处。