基于PROFIBUS總線技術的變頻恒壓供水控制系統

變頻調速恒壓供水以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，在我國建筑行業得到了非常廣泛的應用；由于恒壓供水調速系統實現了水泵電機無級調速、可依據用水量變化自動調節系統的運行參數，且在調節參數的同時保持水壓恒定以滿足用水要求，從而被認為是當今最先進、最合理的節能型供水系統。PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線技術，應用PROFIBUS總線技術組成的供水系統能充分利用變頻器的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水、降低成本、保證產品質量等有著非常重要的意義。

1 PROFIBUS系統構成

某小區高樓供水系統的供水能力為6×104t／d，城市管網壓力為0．4 MPa，泵組為4臺160 kW的電機，要求恒壓并采用計算機監控，當變頻器或控制系統出現故障時可由軟啟動器啟動各臺水泵。系統中管網的壓力隨供水量的變化而變化，為此需要調節：①調節泵組內工作水泵的臺數(水泵的臺數限制，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壓力相平衡，無富余揚程。本系統采用西門子S7—300系列PLC組成PROFIBUS控制系統。

根據現場設備到控制器的連接方式，現場總線的拓撲結構通常采用線形、樹形和環形這三種方式。PROFIBUS采用的是線形結構，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場設備處，控制器掃描所有VO站上的輸入，必要時還可發送信息到輸出通道，實現主一從方式和對等式通信[2]。為保證本供水系統的可靠性，上位機PC選用研華工業計算機用于管理，上位機監控軟件采用西門子WinCC，用組態軟件作出若干工藝流程圖，實時顯示系統的運行狀況，系統將采集得到的數據先進行處理，再根據不同的要求進行顯示與自動控制輸出，任何時候都可以人工操作計算機畫面輸出。計算機監控內容主要包括管網壓力、流量、泵的運行狀態、閥啟／閉狀態、電機溫度以及各泵運行的電流、電壓、功率和功率因數，并監控水位參數、余氯和濁度等。系統結構如圖1所示。

圖1 PROFIBUS結構

在圖1所示的PROFIBUS總線系統中，SIMAT—IC S7—300PLC主站作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統選用CPU315—2DP模塊化PLC，它集成了PROFIBUS—DP現場總線接口裝置，具有強大的處理能力(具有0．3 ms處理l 024語句的速度)，PLC程序在上位機STEP 7中編制完成后下載到CPU315并存儲，CPU可自動運行該程序，根據程序內容讀取總線上的所有I／O模塊的狀態字，控制相應設備，這里主要控制水泵的起／停、切換、閥的啟／閉；電機電流、溫度的檢測以及水泵使用時間的統計；壓力、流量、水質參數的采集等。CP5611是通信模塊，用于實現上位機與7—300PLC的通信等。

系統中水壓的給定值由變頻器鍵盤設定。系統從站除了西門子MM系列變頻器外，還包括水質控制系統、污水控制系統等。

2變頻恒壓的實現

2．1 供水電機的循環投切

變頻恒壓供水系統的電氣原理如圖2所示。眾所周知，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能在運行中帶負載脫閘，水泵電機切換過程應按以下程序進行：循環投切恒壓供水系統投入運行時，當變頻器的輸出頻率已達到50或52 Hz時，能否將變頻器的上限頻率設為52 Hz取決于水泵電機運行在52 Hz時是否超載。當在50 Hz下運行60 S管網水壓未達到給定值時，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過程是：先關該臺水泵電動閥，然后變頻器停車(停車方式設定為自由停車)，水泵電機依慣性運轉，考慮到電機中的殘余電壓，不能將電機立即切換到工頻，而是延時一段時間直到電機中的殘余電壓下降到較小值，這個值可保證電源電壓與殘余電壓不同相時造成的切換電流沖擊較小，本供水系統160 kW水泵電機的切換時間設為600 ms。連接在電機工頻回路中的空氣開關容量為400 A，經現場調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。關閥后停車，水泵電機基本上處于空載運轉，到600 ms時電機的轉速下降不是很多，使切換時電流沖擊較小。切換完成后再打開電動閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上起動并運行，然后再開電動閥。切除工頻泵時先關閥、后停車，這樣無“水錘”現象產生。這些操作都由PLC控制自動完成。

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，具有超強的過載能力，能提供持續3s的200％過載能力，同時提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，PT為壓力變送器，ZJl、ZJ2用于控制系統的起動／停止和自動／手動轉換。由圖2可知，變頻器連接在第一臺水泵電機上，需要加泵時變頻器停止運行，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，變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上起動并運行，照此，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上起動并運行；需要減泵時，系統將第一臺水泵停止，第二臺水泵停止，這時變頻器連接在第三臺水泵上；再需要加泵時，切換從第三臺水泵開始循環。這種方式保證永遠有一臺水泵在變頻運行，4臺水泵電機中的任一臺都可能變頻運行，這樣才能做到不論用水量如何改變都可保持管網壓力基本恒定，且各臺水泵運行的時間基本相同，給維護和檢修帶來方便，所以大部分的高樓供水都傾向于采用循環投切方案。圖2中的軟啟動器作為備用，當變頻器或PLC故障時可用軟起動器手動輪流起動各泵運行供水。