基于USS通信的變頻無負(fù)壓二次供水系統(tǒng)

高啟龍 張鴻強(qiáng) 王 亮

(1.蘭州熱能有限公司，蘭州 730010；2.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730050；3.中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏 靈武 750411)

隨著人們生活水平的提高，對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求也不斷提高。而傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)主要通過二次加壓泵站將水供給到用戶，但因管理不善，水箱和水池?zé)o法定期清洗消毒。此外，由于系統(tǒng)本身的一些缺陷，使系統(tǒng)頻繁啟停，水泵工作效率低下，不僅影響供水質(zhì)量而且還造成了很大的能源浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)控制性能優(yōu)越、供水質(zhì)量高、節(jié)能、節(jié)資的供水設(shè)備具有很大的應(yīng)用前景。筆者通過PLC與西門子變頻器之間的USS通信，來控制變頻器的啟停和頻率變化，加之無負(fù)壓供水機(jī)組的應(yīng)用，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有硬件簡單、造價(jià)低、節(jié)電、節(jié)水、運(yùn)行可靠及控制靈活等特點(diǎn)的恒壓供水系統(tǒng)。

1 恒壓供水系統(tǒng)的組成及其工作過程①

1.1 系統(tǒng)組成

總體來說恒壓供水系統(tǒng)由電氣控制和機(jī)械設(shè)備兩部分組成，而電氣控制部分主要由以S7-200PLC為核心控制部件的變頻器控制柜組成，其中包括上位機(jī)觸摸屏、MM430變頻器及壓力傳感器等。機(jī)械設(shè)備部分主要由4臺水泵、穩(wěn)流罐、氣壓罐及閥等部件組成。其中水泵機(jī)組流量的大小根據(jù)用戶的用水需求量來選擇，本系統(tǒng)中4臺水泵機(jī)組由3臺大流量泵和1臺小流量泵組成，以S7-200PLC為核心，通過控制變頻器的啟停和頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)恒壓供水[1]。恒壓供水系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)運(yùn)行原理

1.2 工作過程

當(dāng)設(shè)備投入使用后，自來水管網(wǎng)的水進(jìn)入穩(wěn)流罐，罐內(nèi)真空由真空消除器排除，待水充滿后真空消除器自動(dòng)關(guān)閉。一般來說，自來水管網(wǎng)壓力不能滿足用水需求，此時(shí)，系統(tǒng)壓力信號由遠(yuǎn)傳壓力表反饋給PLC，經(jīng)過PLC內(nèi)部計(jì)算分析后輸出運(yùn)算結(jié)果，控制相應(yīng)的水泵啟停動(dòng)作，并根據(jù)用水量自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速達(dá)到恒壓供水，若運(yùn)轉(zhuǎn)水泵達(dá)到工頻轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)另一臺水泵變頻運(yùn)行。水泵供水時(shí)，若自來水管網(wǎng)供水量大于水泵流量，系統(tǒng)形成接力供水；用水高峰時(shí)，若自來水管網(wǎng)供水小于水泵流量，穩(wěn)流罐內(nèi)的水作為補(bǔ)充水源仍能正常供水，同時(shí)，真空消除器開始動(dòng)作，及時(shí)抑制罐內(nèi)真空形成，確保自來水管網(wǎng)不產(chǎn)生負(fù)壓；用水高峰過后，系統(tǒng)恢復(fù)到接力供水狀態(tài)。當(dāng)自來水管網(wǎng)停水，造成機(jī)組進(jìn)口壓力下降時(shí)，進(jìn)口壓力變送器將信號反饋給PLC，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，以保護(hù)水泵機(jī)組。

2 變頻無負(fù)壓恒壓供水控制過程分析

在本系統(tǒng)投入使用開始，系統(tǒng)首先將供水機(jī)組的出口壓力和進(jìn)口壓力通過壓力傳感器采集轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號，再傳入PLC的EM231模擬量采集模塊，PLC內(nèi)部將采集到的壓力信號與設(shè)定的進(jìn)口壓力、出口壓力和控制目標(biāo)壓力值進(jìn)行比較，然后做出相應(yīng)的控制輸出[2]。控制流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程

2.1 壓力檢測與保護(hù)

為了確保機(jī)組運(yùn)行可靠，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對出口壓力和進(jìn)口壓力的檢測必不可少。若系統(tǒng)在運(yùn)行開始時(shí)，檢測到進(jìn)口壓力低于設(shè)定值，即認(rèn)為是市政管網(wǎng)缺水，此時(shí)PLC將禁止水泵運(yùn)行，起到缺水保護(hù)的作用；同理，若在運(yùn)行過程中檢測到管道出口壓力高于最大設(shè)定壓力值，則認(rèn)為該系統(tǒng)壓力變送器出現(xiàn)異常，有可能導(dǎo)致爆管等危險(xiǎn)事故，PLC會(huì)立即停止運(yùn)行的水泵。

此外，在該機(jī)組中還安裝了電接點(diǎn)壓力表，如果出口壓力變送器出現(xiàn)異常,電接點(diǎn)壓力表在實(shí)際壓力超過設(shè)定值時(shí)，會(huì)給PLC輸入一個(gè)開關(guān)量信號，這樣PLC便立即停止運(yùn)行的水泵，具有雙重保護(hù)的作用，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 增減泵控制過程

在實(shí)際運(yùn)行過程中，高層居民用水量是實(shí)時(shí)變化的，所以管網(wǎng)的壓力也在隨時(shí)變化，以至于系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)出現(xiàn)變頻器頻率升降和加減泵的現(xiàn)象，以保證管網(wǎng)內(nèi)的壓力維持在設(shè)定值。

當(dāng)系統(tǒng)在檢測到市政管網(wǎng)供水正常，機(jī)組出口壓力低于設(shè)定的目標(biāo)壓力值時(shí)，系統(tǒng)判斷變頻器當(dāng)前的運(yùn)行頻率，當(dāng)運(yùn)行頻率高于設(shè)定頻率上限時(shí)，程序執(zhí)行變頻切工頻過程，即先停止變頻運(yùn)行，并瞬間吸合工頻接觸器，實(shí)現(xiàn)水泵的變頻與工頻切換。之后一段時(shí)間若壓力還無法滿足用戶需求，則變頻啟動(dòng)下一臺水泵，依次循環(huán)，直到滿足用戶使用需求為止。與此相反，當(dāng)出口壓力高于設(shè)定值，而變頻器的頻率降到設(shè)定頻率下限時(shí)，則自動(dòng)切除最先運(yùn)行的工頻水泵，直至工頻泵全部停止，最后如果只有一臺變頻泵運(yùn)行，并且頻率還低于最低頻率，則所有泵都停止工作。直到下次用水量增加時(shí)，在檢測到無大泵投入的情況下，先啟動(dòng)小流量泵，以達(dá)到節(jié)能的目的，當(dāng)小泵無法滿足壓力要求時(shí)，自動(dòng)切換到大泵循環(huán)，小泵退出循環(huán)系統(tǒng)。整個(gè)過程依據(jù)先起先停的原則來實(shí)現(xiàn)各個(gè)泵的交替工作[3]。

2.3 PID調(diào)節(jié)過程

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用PID控制方式，它是應(yīng)用范圍最廣泛的反饋控制方式。在該閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用了負(fù)反饋，即當(dāng)實(shí)際壓力上升到接近設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，反饋值接近設(shè)定目標(biāo)值，偏差減小，PID 運(yùn)算會(huì)自動(dòng)減小執(zhí)行量，從而降低變頻器輸出頻率，進(jìn)而穩(wěn)定壓力。相反，則會(huì)增加執(zhí)行量來補(bǔ)償壓差。

在恒壓供水系統(tǒng)中，增減泵調(diào)節(jié)與PID調(diào)節(jié)相輔相成。在該系統(tǒng)中，閉環(huán)控制系統(tǒng)由變頻器、PLC、壓力變送器及水泵等構(gòu)成，調(diào)節(jié)過程中根據(jù)供水管網(wǎng)對水壓的要求，給PLC內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，出口壓力經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬電流信號反饋給PLC的模擬量采集模塊，PLC內(nèi)部再根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差,給出調(diào)節(jié)量,并將數(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，來調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率,使機(jī)組供水量適應(yīng)用水量的變化取得動(dòng)態(tài)平衡,維持水壓恒定。

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 主電路

主電路如圖3所示，其主要通過不同交流接觸器的吸合來控制電機(jī)的工頻和變頻切換，圖中KM11、KM21、KM31、KM41分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3、M4工頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器，KM12、KM22、KM32、KM42分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3、M4變頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器，QF1為接通該主回路的總斷路器，QF2為變頻器接通電源的斷路器，QF3、QF4、QF5、QF6分別為M1、M2、M3、M4水泵工頻運(yùn)行時(shí)接通電源的斷路器。變頻在運(yùn)行時(shí)，可以起到一系列的保護(hù)作用，

但在該圖中M4為小流量泵，為大流量泵配套的大變頻器對小泵無法起到過載保護(hù)的作用，因此，M4的工頻與變頻都必須經(jīng)過熱繼電器，以此來保護(hù)M4電機(jī)。

3.2 PLC控制電路

PLC控制電路如圖4所示，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6分別控制M1、M2、M3、M4的工頻接觸器，Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7分別控制4臺水泵的變頻運(yùn)行接觸器。I1.1為電接點(diǎn)壓力表傳來的超壓保護(hù)信號，作為出口壓力變送器異常時(shí)防止管道壓力超壓的另一種保護(hù)措施。

供水機(jī)組的進(jìn)出口壓力值通過EM231模擬量采集模塊傳入PLC內(nèi)部，進(jìn)口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-，出口壓力反饋接在第二路模擬量輸入端上。 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC根據(jù)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力之間的比較，來控制不同泵的變頻與工頻運(yùn)行信號，但在系統(tǒng)的切換過程中，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)。切換過程中，為減少電流沖擊，必須在變頻器頻率接近50Hz時(shí)才可切換至工頻。

4 PLC程序設(shè)計(jì)

4.1 PLC硬件選型和地址分配

在變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要從I/O點(diǎn)數(shù)的數(shù)量、壓力信號采集模塊、通信及經(jīng)濟(jì)合理性等方面來綜合考慮PLC的選項(xiàng)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)現(xiàn)場用戶用水量的需求，系統(tǒng)需采用一拖四變頻恒壓供水。因此，選用S7-200 CPU226作為控制核心，從各方面均能滿足條件。另外，為了便于程序編寫，還需進(jìn)行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通信的庫地址分配及PLC進(jìn)行PID控制的回路表地址分配等，而且必須保證地址分配正確，不能有交叉重疊。

4.2 PID控制程序設(shè)計(jì)

在變頻恒壓供水控制過程中，運(yùn)用PLC進(jìn)行供水壓力設(shè)定值與實(shí)時(shí)檢測壓力反饋值的比較及PID運(yùn)算等，輸出標(biāo)準(zhǔn)控制信號。在V4.0 Step-Micro/Win SP5編程軟件中，通過指令向?qū)?，根?jù)實(shí)際情況設(shè)置比例系數(shù)、積分時(shí)間及回路表起始地址等，并配置PID回路輸入及回路輸出等各個(gè)選項(xiàng)之間的變量對應(yīng)關(guān)系，最終生成如圖5所示的調(diào)節(jié)模塊[4]。

圖5 PID調(diào)節(jié)模塊

4.3 USS通信程序設(shè)計(jì)

USS協(xié)議是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的協(xié)議，也是西門子公司所有傳動(dòng)產(chǎn)品的通用通信協(xié)議。它采用單主站的“主/從”訪問機(jī)制，并規(guī)定了在USS總線上可以有1個(gè)主站和最多30個(gè)從站；總線上的每個(gè)從站都有一個(gè)站地址，主站依靠它識別每個(gè)從站；從站也只對主站發(fā)來的報(bào)文做出響應(yīng)并回送報(bào)文。作為一款在西門子傳動(dòng)領(lǐng)域普遍使用的通信協(xié)議，它不僅支持多點(diǎn)通信，而且報(bào)文格式簡單可靠，使數(shù)據(jù)傳輸靈活高效。通過Step7-Micro/Win軟件指令庫中的USS庫指令，可簡單方便地實(shí)現(xiàn)S7-200 PLC與西門子Micro Master系列變頻器之間的通信，控制實(shí)際驅(qū)動(dòng)器和讀/寫驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。

4.3.1變頻器通信參數(shù)設(shè)置

正確設(shè)置變頻器參數(shù)是USS通信成功的前提。此處變頻器通信參數(shù)設(shè)置如下：

P0700=5 設(shè)置為遠(yuǎn)程控制模式，從USS通信接口控制

P1000=5 選擇頻率源為COM鏈路的USS設(shè)置

P2000=50 設(shè)置串行鏈路參考頻率

P2009=0 變頻器通信參數(shù)設(shè)定

P2010=6 USS通信波特率設(shè)為9 600bit/s

P2011=1 站地址設(shè)為1，與程序中一致

P2012=2 USS PZD長度

P2013=127 USS PKW長度

P2014=0 禁止通信超時(shí)

完成了變頻器中通信參數(shù)的設(shè)置[5]，再通過PLC內(nèi)部USS通信庫調(diào)用USS-CTRL變頻器控制指令，并根據(jù)變頻器已經(jīng)設(shè)定好的通信參數(shù)，設(shè)定PLC內(nèi)部的通信波特率及站地址等參數(shù)，并使變頻器與PLC內(nèi)部所設(shè)參數(shù)一致，才能完成通信報(bào)文的發(fā)送和接收。通信成功后變頻器控制指令便可以控制被激活的變頻器的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)，進(jìn)行速度給定，并返回變頻器的工作狀態(tài)，包括運(yùn)行狀態(tài)指示、實(shí)際輸出頻率及轉(zhuǎn)向等。

4.3.2程序調(diào)用

變頻器的相關(guān)參數(shù)設(shè)定完成后，開始PLC內(nèi)部關(guān)于USS通信程序的設(shè)計(jì)，首先在裝有USS協(xié)議庫的Step7-micro/Win軟件中調(diào)用初始化指令，在PLC上電的第一個(gè)掃描周期內(nèi)調(diào)用USS初始化指令，將CPU226的Port0端口設(shè)置為自由口通信、波特率為9 600bit/s，激活站地址為1的MM430變頻器。

通過調(diào)用如圖6所示的USS-CTRL指令來控制MM430變頻器的啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，具體表現(xiàn)為將增減泵子程序的運(yùn)算結(jié)果，傳輸給變頻啟停控制地址，通過改變程序中M0.1(驅(qū)動(dòng)器啟?？刂莆?的通斷來控制變頻器的啟停，從而達(dá)到控制機(jī)組中水泵的增減來使管道壓力恒定。另外，該系統(tǒng)在反饋壓力已知的條件下，判斷增減泵的唯一條件就是通過運(yùn)行頻率與設(shè)定的頻率上下限比較，來輸出增減泵信號。因此如圖7所示的讀取變頻器運(yùn)行頻率的指令必不可少。程序通過USS通信讀指令將變頻器運(yùn)行頻率反饋給PLC,將壓力信號反饋至PID指令中的過程變量VW16，通過計(jì)算將PID的運(yùn)算結(jié)果傳輸給VD200(驅(qū)動(dòng)器速度設(shè)定地址)來控制變頻器的速度，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的。

圖6 USS協(xié)議的控制模塊

圖7 變頻運(yùn)行頻率讀取指令

5 結(jié)束語

以S7-200 PLC為核心的恒壓供水控制系統(tǒng)，通過USS通信實(shí)現(xiàn)了PLC對變頻器的控制，極大地簡化了控制系統(tǒng)配置，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。另外由穩(wěn)流罐、氣壓罐、閥及水泵等硬件組成的無負(fù)壓管網(wǎng)疊壓供水機(jī)組，利用管網(wǎng)疊壓原理，和小流量泵的適時(shí)運(yùn)行，極大地提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果。實(shí)踐表明該系統(tǒng)具有節(jié)能、衛(wèi)生安全、成本低廉及控制靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

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