基于PROFIBUS总线技术的变频恒压供水控制系统

    变频调速恒压供水以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在我国建筑行业得到了非常广泛的应用；由于恒压供水调速系统实现了水泵电机无级调速、可依据用水量变化自动调节系统的运行参数，且在调节参数的同时保持水压恒定以满足用水要求，从而被认为是当今最先进、最合理的节能型供水系统。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线技术，应用PROFIBUS总线技术组成的供水系统能充分利用变频器的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水、降低成本、保证产品质量等有着非常重要的意义。

1 PROFIBUS系统构成

    某小区高楼供水系统的供水能力为6×104t／d，城市管网压力为0．4 MPa，泵组为4台160 kW的电机，要求恒压并采用计算机监控，当变频器或控制系统出现故障时可由软启动器启动各台水泵。系统中管网的压力随供水量的变化而变化，为此需要调节：①调节泵组内工作水泵的台数(水泵的台数限制，造成过压或欠压)；②改变水泵的特性曲线，使水泵的特性曲线与系统的管路特性曲线相交于需要的流量，水泵的出口压力与服务压力相平衡，无富余扬程。本系统采用西门子S7—300系列PLC组成PROFIBUS控制系统。

    根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构通常采用线形、树形和环形这三种方式。PROFIBUS采用的是线形结构，用一根总干线从控制器连接到受控对象，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有VO站上的输入，必要时还可发送信息到输出通道，实现主一从方式和对等式通信[2]。为保证本供水系统的可靠性，上位机PC选用研华工业计算机用于管理，上位机监控软件采用西门子WinCC，用组态软件作出若干工艺流程图，实时显示系统的运行状况，系统将采集得到的数据先进行处理，再根据不同的要求进行显示与自动控制输出，任何时候都可以人工操作计算机画面输出。计算机监控内容主要包括管网压力、流量、泵的运行状态、阀启／闭状态、电机温度以及各泵运行的电流、电压、功率和功率因数，并监控水位参数、余氯和浊度等。系统结构如图1所示。

图1 PROFIBUS结构

    在图1所示的PROFIBUS总线系统中，SIMAT—IC S7—300PLC主站作为DP主站，CPU位于控制中心。本系统选用CPU315—2DP模块化PLC，它集成了PROFIBUS—DP现场总线接口装置，具有强大的处理能力(具有0．3 ms处理l 024语句的速度)，PLC程序在上位机STEP 7中编制完成后下载到CPU315并存储，CPU可自动运行该程序，根据程序内容读取总线上的所有I／O模块的状态字，控制相应设备，这里主要控制水泵的起／停、切换、阀的启／闭；电机电流、温度的检测以及水泵使用时间的统计；压力、流量、水质参数的采集等。CP5611是通信模块，用于实现上位机与7—300PLC的通信等。

    系统中水压的给定值由变频器键盘设定。系统从站除了西门子MM系列变频器外，还包括水质控制系统、污水控制系统等。

2变频恒压的实现

    2．1 供水电机的循环投切

    变频恒压供水系统的电气原理如图2所示。众所周知，变频器的输出端不能连接电源，也不能在运行中带负载脱闸，水泵电机切换过程应按以下程序进行：循环投切恒压供水系统投入运行时，当变频器的输出频率已达到50或52 Hz时，能否将变频器的上限频率设为52 Hz取决于水泵电机运行在52 Hz时是否超载。当在50 Hz下运行60 S管网水压未达到给定值时，该台水泵需切换到工频运行。切换过程是：先关该台水泵电动阀，然后变频器停车(停车方式设定为自由停车)，水泵电机依惯性运转，考虑到电机中的残余电压，不能将电机立即切换到工频，而是延时一段时间直到电机中的残余电压下降到较小值，这个值可保证电源电压与残余电压不同相时造成的切换电流冲击较小，本供水系统160 kW水泵电机的切换时间设为600 ms。连接在电机工频回路中的空气开关容量为400 A，经现场调试切换过程的电流冲击较小，每一次切换都百分之百的成功。关阀后停车，水泵电机基本上处于空载运转，到600 ms时电机的转速下降不是很多，使切换时电流冲击较小。切换完成后再打开电动阀；已停车的变频器切换到另外的水泵上起动并运行，然后再开电动阀。切除工频泵时先关阀、后停车，这样无“水锤”现象产生。这些操作都由PLC控制自动完成。

图2 变频恒压供水的电气原理

    图2中，西门子MM系列变频器采用高性能的矢量控制技术，具有超强的过载能力，能提供持续3s的200％过载能力，同时提供低速高转矩输出和良好的动态特性，PT为压力变送器，ZJl、ZJ2用于控制系统的起动／停止和自动／手动转换。由图2可知，变频器连接在第一台水泵电机上，需要加泵时变频器停止运行，并由变频器的输出端口(图2中的R01～R03端口)输出信号到s7—300PLC，由PLC控制切换过程。切换开始时，变频器停止输出(变频器设置为自由停车)，利用水泵的惯性将第一台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行；需要减泵时，系统将第一台水泵停止，第二台水泵停止，这时变频器连接在第三台水泵上；再需要加泵时，切换从第三台水泵开始循环。这种方式保证永远有一台水泵在变频运行，4台水泵电机中的任一台都可能变频运行，这样才能做到不论用水量如何改变都可保持管网压力基本恒定，且各台水泵运行的时间基本相同，给维护和检修带来方便，所以大部分的高楼供水都倾向于采用循环投切方案。图2中的软启动器作为备用，当变频器或PLC故障时可用软起动器手动轮流起动各泵运行供水。[page]

    实际工作时，由于电机投切是在瞬间完成的，电流冲击可能性较大，为保证切换成功，回路上的空气开关容量一般都选得比较大。循环投切时，电机从变频往工频切换，只要切换的延时足够，电机由变频切换到工频时的电流冲击不大。一般残余电压的衰减时间为1～2 S，切换延时也不是越长越好，延时短则残余电压高、速度降落小，延时长则残余电压低但速度降落大。选择延时需二者兼顾，在调试时得到理想的时间值，从而得到最小的冲击电流。

    2．2变频器的控制

    根据图1所示结构，首先在上位机(IPC)中选择STEP 7编程软件和MM系列变频器GSD文件，在STEP 7编程软件中组建Profibus—DP网，并定义CPU315—2DP为主站。然后导入MM系列变频器GSD文件，此操作使STEP 7能识别MM系列变频器并声明数据格式。导入变频器GSD文件后，在从站选项中自动添加了MM4XX系列变频器选项，此时再将变频器从站添加到Profibus—DP网上，系统自动分配通讯数据地址，在PLC程序中就可直接引用分配到的地址对变频器进行操作及监视。变频器在PROFIBUS总线中具体的数据格式如表1、2所示。根据上述方法建立起PROFIBUS现场总线的DP主站和变频器从站后变频器即可驱动水泵电机进行恒压供水。

表1 控制字(16位)

表2 状态字(16位)

3结论

    PROFIBUS—DP现场总线是一种数字通信网络技术，总线的主站与从站之间采用数字信号进行通信。由于用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号，同时又为多个设备提供电源，这种控制系统大量减少了导线和连接附件，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。基于PROFIBUS现场总线的变频恒压供水控制系统融合了先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有通讯能力强、组网方便、压力恒定、维护方便等特点，特别适用于高楼建筑行业，同时控制系统充分利用了组态软件的强大数据处理和图形表现能力，在建筑行业具有较大的推广价值。