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(tǒng)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(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，隨著異步電動機變頻調速技術的迅速發(fā)展，居住區(qū)供水系統(tǒng)正逐步采用無塔變頻供水。利用變頻調速技術，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。武漢某高層生活小區(qū)有近4000住戶，樓層高達32層，為了實現(xiàn)生活小區(qū)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(xiàn)場控制系統(tǒng)利用PLC的邏輯輸出控制變頻器、軟起動器，從而實現(xiàn)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(xiàn)場控制單元的控制信息集中在智能小區(qū)中控室的MIS計算機上，實現(xiàn)了小區(qū)的分布式變頻恒壓供水，取得了良好的技術效益和經(jīng)濟效益。

　　二、系統(tǒng)架構

　　1.系統(tǒng)架構圖

　　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(jié)現(xiàn)場監(jiān)控單元，且每個現(xiàn)場控制單元均有現(xiàn)場控制，遠程控制兩種模式。現(xiàn)場控制單元由S7-300型PLC及其選用的功能模塊、變頻器、電機軟起動器以及三相交流離心水泵等組成。每個現(xiàn)場單元再通過Profibus現(xiàn)場總線將一些主要的運行參數(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算機上，實現(xiàn)對水壓等信息的監(jiān)控，由此構成了生活小區(qū)的分布式恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)。現(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、失速等自動保護功能，能實現(xiàn)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(tǒng)設計正是利用變頻器這一特點來提高整個系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟性的。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)架構圖

　　2.水壓調節(jié)工作原理

　　系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)。即現(xiàn)場控制單元根據(jù)該樓供水系統(tǒng)的實際情況，設定供水系統(tǒng)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(wǎng)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(shù)字式增量PID調節(jié)方式，自動閉環(huán)調節(jié)回路調節(jié)的量是該樓供水系統(tǒng)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(jié)器進行PID運算，其運算的結果轉換為適當?shù)哪M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(tài)下始終接近于設定的參考壓力值Po。在進行PID調節(jié)時，比例調節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小，只要有偏差存在，比例調節(jié)就會產生控制作用，以減少偏差。微分調節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢來產生控制作用，它可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。積分調節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來產生控制作用，對系 統(tǒng)的控制有滯后的作用，可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時間常數(shù)可提高靜態(tài)精度，但積分 作用太強，特別是在系統(tǒng)偏差較大時，會使系統(tǒng)超調量較大，甚至引起振蕩。本系統(tǒng)中，我們采用如下PID調節(jié)策略，組成智能控制系統(tǒng)。

　　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(xù)上升，則軟起動器斷開;

　　6)在采樣周期中，水壓持續(xù)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(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運算后，將控制信號送至壟器，調節(jié)變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。為防止水錘現(xiàn)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(tǒng)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(huán)方式最多可以控制4臺泵，系統(tǒng)以“先開先關”的順序關泵。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。當系統(tǒng)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(wǎng)水壓也上升，當水壓升至水壓調節(jié)設定值時，泵機在此頻率下穩(wěn)定運行，保持了水壓恒j若泵機頻率達到電網(wǎng)工頻時，水壓還未達到設定值，此時水壓調節(jié)系統(tǒng)自動發(fā)出控制信號，自動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(fā)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(wěn)定恒壓運行，整個系統(tǒng)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(wǎng)切換過程應盡量快，各接觸器間的動作時間由PLC設定。

　　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可擴展至1024點，帶1個Profibus-DP接口，它完成運行狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)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(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，32路輸入1個，完成電動機運行狀態(tài)監(jiān)測和電動機分批自起動系統(tǒng)運行、調試狀態(tài)監(jiān)測，電動機運行狀態(tài)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(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(tǒng)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(jié)省電能方面具有獨特的優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)運行的可靠性，系統(tǒng)監(jiān)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(tǒng)都會發(fā)出報警信號。檢測到故障后，系統(tǒng)立即觸發(fā)必要的診斷程序。軟起動器參數(shù)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(shù)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(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，具有“自動再起動”功能;

　　2)靈活的斜坡函數(shù)發(fā)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(tǒng)軟件設計

　　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服務器的內核，上位機監(jiān)控采用WinAC的PLC作主站，用微軟的Visual C++軟件開發(fā)監(jiān)控人機交互界面，完成對水壓的實時控制和動態(tài)監(jiān)視過程。其實現(xiàn)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(xiàn)，而無須費力去開發(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(shù)據(jù)信息交換、報警事件的處理、兩個從站之間的運行協(xié)調和一些運行參數(shù)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(fā)送命令，同時讀取從站PLC監(jiān)測到的設備運行狀態(tài)、模擬量采樣數(shù)據(jù)和報警信息等。根據(jù)這些實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在屏幕上動態(tài)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(tài)等。一旦發(fā)現(xiàn)故障報警信息，系統(tǒng)即顯示明顯的警示畫面，通過WinLC主機向各從站PLC發(fā)出停機命令，保存并記錄故障發(fā)生的時間、泵號和原因等原始數(shù)據(jù)，同時還可以根據(jù)要求保存所需要的歷史數(shù)據(jù)，定時、實時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設計，該主程序由自動運行程序、手動操作程序、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回路調節(jié)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(qū)中交換數(shù)據(jù)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(xiàn)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(qū)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(jié)能效果，同時能夠實現(xiàn)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(tǒng)集成和開發(fā)便可，大大降低了系統(tǒng)集成和開發(fā)的時間，提高了經(jīng)濟效益，對系統(tǒng)開發(fā)者和使用者而言均是受益者，這正是SIEMENS品牌的獨特之處。