基于PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)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(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用；由于恒壓供水調速系統實(shí)現了水泵電機無(wú)級調速、可依據用水量變化自動(dòng)調節系統的運行參數，且在調節參數的同時(shí)保持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求，從而被認為是當今最先進(jìn)、最合理的節能型供水系統。PROFIBUS是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，應用PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)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(chǎn)品質(zhì)量等有著(zhù)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(wǎng)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(shí)可由軟啟動(dòng)器啟動(dòng)各臺水泵。系統中管網(wǎng)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(guò)壓或欠壓)；②改變水泵的特性曲線(xiàn)，使水泵的特性曲線(xiàn)與系統的管路特性曲線(xiàn)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(wú)富余揚程。本系統采用西門(mén)子S7—300系列PLC組成PROFIBUS控制系統。

根據現場(chǎng)設備到控制器的連接方式，現場(chǎng)總線(xiàn)的拓撲結構通常采用線(xiàn)形、樹(shù)形和環(huán)形這三種方式。PROFIBUS采用的是線(xiàn)形結構，用一根總干線(xiàn)從控制器連接到受控對象，總線(xiàn)電纜從主干電纜分支到現場(chǎng)設備處，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(yè)計算機用于管理，上位機監控軟件采用西門(mén)子WinCC，用組態(tài)軟件作出若干工藝流程圖，實(shí)時(shí)顯示系統的運行狀況，系統將采集得到的數據先進(jìn)行處理，再根據不同的要求進(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算機畫(huà)面輸出。計算機監控內容主要包括管網(wǎng)壓力、流量、泵的運行狀態(tài)、閥啟／閉狀態(tài)、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(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)接口裝置，具有強大的處理能力(具有0．3 ms處理l 024語(yǔ)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(dòng)運行該程序，根據程序內容讀取總線(xiàn)上的所有I／O模塊的狀態(tài)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(shí)間的統計；壓力、流量、水質(zhì)參數的采集等。CP5611是通信模塊，用于實(shí)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(pán)設定。系統從站除了西門(mén)子MM系列變頻器外，還包括水質(zhì)控制系統、污水控制系統等。

2變頻恒壓的實(shí)現

2．1 供水電機的循環(huán)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(guò)程應按以下程序進(jìn)行：循環(huán)投切恒壓供水系統投入運行時(shí)，當變頻器的輸出頻率已達到50或52 Hz時(shí)，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(shí)是否超載。當在50 Hz下運行60 S管網(wǎng)水壓未達到給定值時(shí)，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過(guò)程是：先關(guān)該臺水泵電動(dòng)閥，然后變頻器停車(chē)(停車(chē)方式設定為自由停車(chē))，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(shí)一段時(shí)間直到電機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160 kW水泵電機的切換時(shí)間設為600 ms。連接在電機工頻回路中的空氣開(kāi)關(guān)容量為400 A，經(jīng)現場(chǎng)調試切換過(guò)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(chē)，水泵電機基本上處于空載運轉，到600 ms時(shí)電機的轉速下降不是很多，使切換時(shí)電流沖擊較小。切換完成后再打開(kāi)電動(dòng)閥；已停車(chē)的變頻器切換到另外的水泵上起動(dòng)并運行，然后再開(kāi)電動(dòng)閥。切除工頻泵時(shí)先關(guān)閥、后停車(chē)，這樣無(wú)“水錘”現象產(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(mén)子MM系列變頻器采用高性能的矢量控制技術(shù)，具有超強的過(guò)載能力，能提供持續3s的200％過(guò)載能力，同時(shí)提供低速高轉矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，PT為壓力變送器，ZJl、ZJ2用于控制系統的起動(dòng)／停止和自動(dòng)／手動(dòng)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(shí)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(guò)程。切換開(kāi)始時(shí)，變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車(chē))，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(dòng)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(dòng)并運行；需要減泵時(shí)，系統將第一臺水泵停止，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(kāi)始循環(huán)。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(wǎng)壓力基本恒定，且各臺水泵運行的時(shí)間基本相同，給維護和檢修帶來(lái)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)各泵運行供水。