基于USS通信的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

童克波

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

城市供水系統(tǒng)中由于用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中地反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低;用水少而供水多，則壓力大。保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高供水的質(zhì)量。

1 恒壓供水工作原理

系統(tǒng)使用一臺S7－200 PLC通過USS通信控制一臺西門子MM440變頻器。變頻器拖動三臺水泵電動機(jī)。水泵電動機(jī)的起動、停止、工頻和變頻切換由S7－200 PLC控制。為了達(dá)到水管壓力的動態(tài)恒定，實現(xiàn)恒壓供水，系統(tǒng)采用PID控制。供水系統(tǒng)方案如圖1所示。

系統(tǒng)將用水管中的壓力變化經(jīng)壓力傳感器采集送給壓力變送器，壓力變送器再將壓力轉(zhuǎn)變成的電壓量（0～10 V）傳送給PLC的模擬量輸入模塊EM231，PLC根據(jù)采集量的變化進(jìn)行PID運(yùn)算，將數(shù)據(jù)運(yùn)算的結(jié)果以運(yùn)行頻率的形式通過USS通信輸送給變頻器，進(jìn)而控制變頻器的輸出頻率。

圖1 供水系統(tǒng)方案圖

當(dāng)供水的壓力低于設(shè)定壓力，PLC就會控制變頻器將運(yùn)行頻率升高，反之則降低，并且可以根據(jù)壓力變化的快慢進(jìn)行差分調(diào)節(jié)。由于本系統(tǒng)采用了負(fù)反饋，當(dāng)壓力在上升到接近設(shè)定值時，反饋值接近設(shè)定值，偏差減小，PID運(yùn)算會自動減小執(zhí)行量，從而降低變頻器輸出頻率的波動，進(jìn)而穩(wěn)定壓力。

當(dāng)水網(wǎng)中的用水量增大時，會出現(xiàn)“變頻泵”效率不夠的情況，這時就需要增加水泵參與供水，通過PLC控制的交流接觸器組負(fù)責(zé)水泵的切換工作情況［1］。PLC通過檢測變頻器頻率輸出的上下限信號來判斷變頻器的工作頻率，從而控制接觸器組是否應(yīng)該增加或減少水泵的工作數(shù)量。

2 恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成

恒壓供水系統(tǒng)框圖如圖2所示，變頻器的模擬量輸入端口接受PLC模擬量輸出模塊的頻率控制信號。

圖2 恒壓供水系統(tǒng)框圖

（1）目標(biāo)信號SP。該信號是一個與壓力的控制目標(biāo)相對應(yīng)的值，給定值通常是一個固定的值。

（2）反饋信號PV。是壓力變送器PS反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號，與PID回路輸出有關(guān)，并反映控制的效果。

（3）目標(biāo)信號和反饋信號都是實際的工程物理量，其數(shù)值大小、范圍和測量單位都可能不一樣。執(zhí)行PID指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型實數(shù)［2］。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主電路

主電路接線如圖3所示，KM1、KM3、KM5分別為電動機(jī)M1、M2、M3工頻運(yùn)行時接通電源的控制接觸器，KM0、KM2、KM4分別為電動機(jī)M1、M2、M3變頻運(yùn)行時接通電源的控制接觸器，QF1為接通變頻器電源的斷路器。

3.2 PLC控制電路

PLC控制圖如圖4所示，圖中Q0.0～Q0.5分別控制接觸器KM0～KM5。為了防止出現(xiàn)某臺電動機(jī)既接工頻電又接變頻電的情況，設(shè)計了電氣互鎖。例如在控制M1電動機(jī)的兩個接觸器KM1、KM0的線圈中分別串入了對方的常閉觸點(diǎn)形成電氣互鎖。

供水壓力設(shè)定值通過實際調(diào)試設(shè)定，壓力變送器傳送的壓力值作為反饋傳給EM231的第一路模擬量輸入端子A+和A－上，頻率檢測的上/下限信號分別控制變頻器輸出繼電器1的19、20端子和變頻器輸出繼電器2的21、22端子，它們分別連接到PLC的輸出繼電器I0.2、I0.3上，作為PLC增泵、減泵的控制信號。

在系統(tǒng)的切換中，對變頻器的保護(hù)是切換控制可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)中可采用硬件和軟件的雙重聯(lián)鎖保護(hù)。起動過程中，必須保證每臺電動機(jī)由零轉(zhuǎn)速開始升速。為減少電流沖擊，必須在達(dá)到50 Hz時才可切換至電網(wǎng)。KM0斷開前，必須首先保證變頻器沒有輸出，KM0斷開后，才能閉合KM1，KM0和KM1不可同時閉合。PLC控制程序必須有軟件互鎖。

圖4 PLC接線圖

4 PLC程序設(shè)計和變頻器參數(shù)設(shè)置

PLC程序設(shè)計由四部分組成:參數(shù)表，USS通信設(shè)置，PID程序設(shè)計，變頻器工頻、變頻切換程序設(shè)計。

4.1 參數(shù)表

程序設(shè)計要使用各種參數(shù)地址，其中包括PLC的I/O地址分配、PLC控制變頻器的地址分配、PLC與變頻器USS通信的庫地址分配、PLC進(jìn)行PID控制的回路表地址分配等。這些地址要正確分配，不能有交叉重疊。參數(shù)表的設(shè)置是程序編寫的重要步驟和必須環(huán)節(jié)。

4.2 USS通信設(shè)置和PID程序設(shè)計

圖3 系統(tǒng)主電路圖

打開V4.0 STEP－Micro/WIN SP5編程軟件，再打開USS指令庫分支，像調(diào)用子程序一樣調(diào)用USS－INT指令。設(shè)置模式選擇Mode=1;USS通信波特率Baud=9 600 bit/s，此參數(shù)要和變頻器的參數(shù)設(shè)置一致;從站地址Active=16#08，即將處于3號物理地址的從站激活［3］。

設(shè)置完通信參數(shù)后，還要指定大概400個字節(jié)的V存儲區(qū)用于支持其工作。指定VB700－VB1100為庫存儲區(qū)地址。

再調(diào)用變頻器控制指令USS－CTRL，變頻器控制指令用于變頻器的運(yùn)動控制，相當(dāng)于將變頻器上的頻率給定輸入與開關(guān)量輸入控制全部轉(zhuǎn)移到了PLC程序中。該指令同樣以調(diào)用子程序的形式進(jìn)行編程。

變頻器控制指令可以控制被激活的變頻器的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)，進(jìn)行速度給定，以及返回變頻器的工作狀態(tài)，包括運(yùn)行狀態(tài)指示、實際輸出頻率、轉(zhuǎn)向等［4］。

要使供水系統(tǒng)穩(wěn)定，必須有PID調(diào)節(jié)，其中P為比例調(diào)節(jié)，I為積分調(diào)節(jié)。D為微分調(diào)節(jié)。供水系統(tǒng)壓力要求不是很精確，故只用PI調(diào)節(jié)即可。

S7－200PLC的PID程序編寫，可以使用編程軟件的PID向?qū)Ь帉懽映绦颍部梢宰约壕帉慞ID子程序。但使用向?qū)Ь帉慞ID子程序，子程序會變得短小、緊湊［5］。根據(jù)實際情況設(shè)置比例系數(shù)、積分時間、回路表起始地址以及設(shè)置手動模式等。

4.3 變頻器工頻、變頻切換程序設(shè)計

變頻器工頻、變頻切換程序要用到變頻器輸出繼電器的頻率輸出信號，用以控制三臺電動機(jī)的變頻或工頻運(yùn)行。

系統(tǒng)起動時，KM0閉合，1#水泵以變頻方式運(yùn)行。如果水壓過低，而變頻器已經(jīng)達(dá)到上限設(shè)定值時，19、20端子發(fā)出“頻率上限”動作信號，PLC起動增泵程序;PLC通過這個上限信號將KM0斷開、KM1吸合，1#水泵由變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，同時KM2吸合，2#水泵變頻起動。此時，電動機(jī)M1工頻運(yùn)行，M2為變頻運(yùn)行。

如果再次接受到變頻器上限輸出信號，則KM2斷開、KM3吸合，2#水泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻，同時KM4閉合，3#水泵變頻運(yùn)行，這時電動機(jī)M1、M2為工頻運(yùn)行，M3為變頻運(yùn)行。

如果供水管道壓力過高，使變頻器頻率偏低，達(dá)到輸出下限頻率，21、22端子發(fā)出“頻率下限”動作信號，PLC起動減泵程序，將正在使用的“變頻泵”切除，將M2“工頻泵”切換為“變頻泵”，使PLC關(guān)閉KM4、KM3，開啟KM2，2#水泵變頻運(yùn)行，此時電動機(jī)M1工頻運(yùn)行，M2變頻運(yùn)行。若再次收到下限信號，就關(guān)閉KM2、KM1，吸合 KM0，只剩1#水泵變頻工作。

電動機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)可以是一臺電動機(jī)處于變頻運(yùn)行，其它兩臺停止;也可以是一臺電動機(jī)工頻運(yùn)行，一臺電動機(jī)變頻運(yùn)行，一臺停止;還可以是兩臺電動機(jī)工頻運(yùn)行，一臺電動機(jī)變頻運(yùn)行;極限是三臺電動機(jī)都工頻運(yùn)行。

4.4 PLC程序設(shè)計流程圖

PLC程序設(shè)計用流程圖表示更為恰當(dāng)，流程圖如圖5所示。

圖5 PLC控制程序流程圖

4.5 變頻器主要參數(shù)設(shè)定

變頻器的參數(shù)設(shè)置主要包括三個部分，一是電動機(jī)命令參數(shù)，二是變頻器 USS通信參數(shù)，三是變頻器輸出繼電器的參數(shù)［6］。電動機(jī)參數(shù)根據(jù)實際值進(jìn)行設(shè)置，不需贅述。設(shè)置的主要是變頻器通信參數(shù)和變頻器頻率到達(dá)參數(shù)。

（1）變頻器USS通信參數(shù)設(shè)置。正確設(shè)置變頻器參數(shù)是USS通信成功的前提，變頻器通信參數(shù)設(shè)置見表1所示。

（2）變頻器輸出繼電器的參數(shù)設(shè)置?！耙煌隙唷焙銐汗┧到y(tǒng)加泵的關(guān)鍵是變頻器在輸出頻率為50 Hz時，能送出一個信號給PLC，故只需設(shè)置變頻器繼電器1在變頻器輸出頻率為50 Hz時，使“19～20”閉合即可。而減泵的關(guān)鍵是變頻器在輸出頻率為下限時，能送出一個信號給PLC，只需設(shè)置變頻器繼電器2在變頻器輸出頻率為下限（P1080）時，使“21～22”閉合即可。

表1 變頻器通信參數(shù)表

P0731=53.4（變頻器實際頻率大于門限頻率f—1時繼電器1閉合），P0732=53.2（變頻器實際頻率低于下限頻率P1080時繼電器2閉合），P0748=0（數(shù)字輸出不反相），P2155=50 Hz（門限頻率 f－1）［7］。

5 結(jié)束語

通過對基于USS通信的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試，并經(jīng)實際運(yùn)行證明，本系統(tǒng)具備以下控制功能及特點(diǎn):

（1）水泵起停由PLC控制，具備全循環(huán)軟起動功能。

（2）具有自動、手動切換和手動操作裝置，不使用控制柜或控制柜出現(xiàn)故障時，可用手工操作使水泵直接在工頻下運(yùn)行。

（3）控制水泵（包括備用泵）周期性自動交換使用，以期水泵壽命基本一致。

（4）具有自動用工頻起動消防泵功能，或者自動變頻以適應(yīng)消防供水要求。

變頻恒壓供水技術(shù)不僅節(jié)電節(jié)水效果明顯，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，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益，有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

［1］張金紅，石文蘭.一拖三變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.河北工業(yè)科技，2011，28（6）:387.

［2］鄧其貴，周炳.變頻器操作與工程項目應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2009.

［3］宋伯生.PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:128.

［4］高銳，姜波.基于USS協(xié)議的WinCC與S7－200變頻器網(wǎng)絡(luò)通訊研究［J］.工業(yè)控制計算機(jī)，2009，22（5）:3.

［5］童克波.現(xiàn)代電氣及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2011:202－205.

［6］向曉漢.西門子PLC高級應(yīng)用實例精解［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:258－260.

［7］劉美俊.變頻器應(yīng)用與維護(hù)技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2008:251.