基于PROFIBUS總線技術(shù)的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)

變頻調(diào)速恒壓供水以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在我國建筑行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用；由于恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水泵電機(jī)無級調(diào)速、可依據(jù)用水量變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，且在調(diào)節(jié)參數(shù)的同時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，從而被認(rèn)為是當(dāng)今最先進(jìn)、最合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線技術(shù)，應(yīng)用PROFIBUS總線技術(shù)組成的供水系統(tǒng)能充分利用變頻器的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著非常重要的意義。

1 PROFIBUS系統(tǒng)構(gòu)成

某小區(qū)高樓供水系統(tǒng)的供水能力為6×104t／d，城市管網(wǎng)壓力為0．4 MPa，泵組為4臺160 kW的電機(jī)，要求恒壓并采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，當(dāng)變頻器或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可由軟啟動(dòng)器啟動(dòng)各臺水泵。系統(tǒng)中管網(wǎng)的壓力隨供水量的變化而變化，為此需要調(diào)節(jié)：①調(diào)節(jié)泵組內(nèi)工作水泵的臺數(shù)(水泵的臺數(shù)限制，造成過壓或欠壓)；②改變水泵的特性曲線，使水泵的特性曲線與系統(tǒng)的管路特性曲線相交于需要的流量，水泵的出口壓力與服務(wù)壓力相平衡，無富余揚(yáng)程。本系統(tǒng)采用西門子S7—300系列PLC組成PROFIBUS控制系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備到控制器的連接方式，現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常采用線形、樹形和環(huán)形這三種方式。PROFIBUS采用的是線形結(jié)構(gòu)，用一根總干線從控制器連接到受控對象，總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場設(shè)備處，控制器掃描所有VO站上的輸入，必要時(shí)還可發(fā)送信息到輸出通道，實(shí)現(xiàn)主一從方式和對等式通信[2]。為保證本供水系統(tǒng)的可靠性，上位機(jī)PC選用研華工業(yè)計(jì)算機(jī)用于管理，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用西門子WinCC，用組態(tài)軟件作出若干工藝流程圖，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)將采集得到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行處理，再根據(jù)不同的要求進(jìn)行顯示與自動(dòng)控制輸出，任何時(shí)候都可以人工操作計(jì)算機(jī)畫面輸出。計(jì)算機(jī)監(jiān)控內(nèi)容主要包括管網(wǎng)壓力、流量、泵的運(yùn)行狀態(tài)、閥啟／閉狀態(tài)、電機(jī)溫度以及各泵運(yùn)行的電流、電壓、功率和功率因數(shù)，并監(jiān)控水位參數(shù)、余氯和濁度等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PROFIBUS結(jié)構(gòu)

在圖1所示的PROFIBUS總線系統(tǒng)中，SIMAT—IC S7—300PLC主站作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統(tǒng)選用CPU315—2DP模塊化PLC，它集成了PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線接口裝置，具有強(qiáng)大的處理能力(具有0．3 ms處理l 024語句的速度)，PLC程序在上位機(jī)STEP 7中編制完成后下載到CPU315并存儲，CPU可自動(dòng)運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I／O模塊的狀態(tài)字，控制相應(yīng)設(shè)備，這里主要控制水泵的起／停、切換、閥的啟／閉；電機(jī)電流、溫度的檢測以及水泵使用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)；壓力、流量、水質(zhì)參數(shù)的采集等。CP5611是通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與7—300PLC的通信等。

系統(tǒng)中水壓的給定值由變頻器鍵盤設(shè)定。系統(tǒng)從站除了西門子MM系列變頻器外，還包括水質(zhì)控制系統(tǒng)、污水控制系統(tǒng)等。

2變頻恒壓的實(shí)現(xiàn)

2．1 供水電機(jī)的循環(huán)投切

變頻恒壓供水系統(tǒng)的電氣原理如圖2所示。眾所周知，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能在運(yùn)行中帶負(fù)載脫閘，水泵電機(jī)切換過程應(yīng)按以下程序進(jìn)行：循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率已達(dá)到50或52 Hz時(shí)，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52 Hz取決于水泵電機(jī)運(yùn)行在52 Hz時(shí)是否超載。當(dāng)在50 Hz下運(yùn)行60 S管網(wǎng)水壓未達(dá)到給定值時(shí)，該臺水泵需切換到工頻運(yùn)行。切換過程是：先關(guān)該臺水泵電動(dòng)閥，然后變頻器停車(停車方式設(shè)定為自由停車)，水泵電機(jī)依慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到電機(jī)中的殘余電壓，不能將電機(jī)立即切換到工頻，而是延時(shí)一段時(shí)間直到電機(jī)中的殘余電壓下降到較小值，這個(gè)值可保證電源電壓與殘余電壓不同相時(shí)造成的切換電流沖擊較小，本供水系統(tǒng)160 kW水泵電機(jī)的切換時(shí)間設(shè)為600 ms。連接在電機(jī)工頻回路中的空氣開關(guān)容量為400 A，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試切換過程的電流沖擊較小，每一次切換都百分之百的成功。關(guān)閥后停車，水泵電機(jī)基本上處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，到600 ms時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時(shí)電流沖擊較小。切換完成后再打開電動(dòng)閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上起動(dòng)并運(yùn)行，然后再開電動(dòng)閥。切除工頻泵時(shí)先關(guān)閥、后停車，這樣無“水錘”現(xiàn)象產(chǎn)生。這些操作都由PLC控制自動(dòng)完成。

圖2 變頻恒壓供水的電氣原理

圖2中，西門子MM系列變頻器采用高性能的矢量控制技術(shù)，具有超強(qiáng)的過載能力，能提供持續(xù)3s的200％過載能力，同時(shí)提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，PT為壓力變送器，ZJl、ZJ2用于控制系統(tǒng)的起動(dòng)／停止和自動(dòng)／手動(dòng)轉(zhuǎn)換。由圖2可知，變頻器連接在第一臺水泵電機(jī)上，需要加泵時(shí)變頻器停止運(yùn)行，并由變頻器的輸出端口(圖2中的R01～R03端口)輸出信號到s7—300PLC，由PLC控制切換過程。切換開始時(shí)，變頻器停止輸出(變頻器設(shè)置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第二臺水泵上起動(dòng)并運(yùn)行，照此，將第二臺水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第三臺水泵上起動(dòng)并運(yùn)行；需要減泵時(shí)，系統(tǒng)將第一臺水泵停止，第二臺水泵停止，這時(shí)變頻器連接在第三臺水泵上；再需要加泵時(shí)，切換從第三臺水泵開始循環(huán)。這種方式保證永遠(yuǎn)有一臺水泵在變頻運(yùn)行，4臺水泵電機(jī)中的任一臺都可能變頻運(yùn)行，這樣才能做到不論用水量如何改變都可保持管網(wǎng)壓力基本恒定，且各臺水泵運(yùn)行的時(shí)間基本相同，給維護(hù)和檢修帶來方便，所以大部分的高樓供水都傾向于采用循環(huán)投切方案。圖2中的軟啟動(dòng)器作為備用，當(dāng)變頻器或PLC故障時(shí)可用軟起動(dòng)器手動(dòng)輪流起動(dòng)各泵運(yùn)行供水。