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[摘 要]加压站变频恒压供水系统工程采用进口工控机或PLC做控制主机，以变频器为调速控件，通过RS-232通信接口，用工业组态软件实现供水系统的自动控制及其各种参数的微机监控管理。这样就可实现水库水位报警，给水营网恒压供水。
[关键词]PLC 变频调速;触摸屏;软启动器;压力传感器
[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–00–03
Application of Frequency Conversion Constant Pressure Water Supply
Technology in Pressurizing Station
Yang Zhao-hu
[Abstract]The frequency conversion and constant pressure water supply system project of the pressurization station adopts imported industrial computer or PLC as the control host， and uses the frequency converter as the speed control control. Through the RS-232 communication interface， the industrial configuration software is used to realize the automatic control of the water supply system and its Computer monitoring and management of various parameters. In this way， the water level alarm of the reservoir can be realized， and the water supply network can be supplied with constant pressure.
[Keywords]PLC frequency conversion speed regulation; touch screen; soft starter; pressure sensor
某加壓站为区域供水，原有6台加压泵，1台45 kW、3台75 kW、2台160 kW，均采用接触器-继电器控制。设备陈旧、老化、能耗大;管网供水压力靠操作人员开、停泵和开、关阀门手动调节，这样既浪费人力，控制也不可靠。而某加压站的运行情况关系到科研生产用水的供给，加压站设备一旦损坏，将直接影响到正常生产，给公司造成重大损失。
近年来，随着异步电动机变频调速技术的迅速发展和日趋成熟，供水系统正逐步采用变频恒压供水，利用变频调速技术，不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果，还可以极大地改善系统的工作性能，并能延长系统的使用寿命，克服了传统供水方式的种种缺点。
成都飞机工业有限责任公司经过论证，决定采用台湾研华的工控机、ABB变频器、德国西门子S7-300系列PLC和3RW22系列软启动器等产品，来对某加压站进行变频恒压供水改造。
1 系统设计
1.1 系统概况
某加压站供水系统分为生产用水泵为二用一备，水泵功率为132 KW;消防水泵一用一备，水泵功率为155 KW，供水流程是通过分布全厂的23口深井将水源经深井泵送至厂内三个水库，生产水泵和消防水泵从水库将水抽出并加压，送至公司各厂房及办公楼的用水点。
1.2 系统组成
本系统由微机综合控制台、生产水泵变频恒压控制部分、消防水泵软启动部分等组成。
1.2.1 微机综合控制台
（1）微机综合控制台由工控机、打印机、音响装置、测量仪表、电动阀门开关、消防泵开关、电源开关、输入输出接口及指示灯等硬件组成。
（2）控制台观测两条输水管的流量（包括瞬时流量和累加流量）;监控三个水库水位信号;监控供水干管的压力并对三台生产泵、两台消防泵实施远程控制。
1.2.2 生产水泵变频恒压控制部分
变频恒压控制部分由变频器、软启动器、可编程控制器、触摸屏、空气开关及交流接触器等硬件组成（见图1）。
（1）变频恒压水泵工作原理，以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。
其工作原理框图如图1所示。
（2）变频器，2台变频器均选用ABB公司ACS800-04-0170-3+P901，变频器采用2种启动方式：本地控制（LOC），通过显示盘把电机基本参数设定在ABB变频器中：如电机额定电压、电流、转速、功率等参数;确定电机运转方向;设置最小转速和最大转速;压力给定值的设定。
远程控制（ME），ACS800可以接受来自数字/模拟输入口的启动，停止和方向命令给定信号值。利用现场总线适配器REPA-1能通过开放的现场总线profibus连接控制传动单元（变频器）的工作。ACS800支持Generic drives通讯协议;具有PID环节;具有自诊断功能。该诊断信号通过S7-300可编程控制器通讯并上传至上位机显示，同时对数据进行处理。ACS800具有睡眠功能，当低于某一流量时，处于停机状态，当流量达到一定量要求时自动唤醒。2台变频器通过PLC程序定时切换，当其中一台变频器工作24h后自动切换至另一台变频器工作。 （3）可编程控制器，可编程控制器选用西门子S7-300型。该PLC是模块化结构设计，扩展非常方便。为了满足要求，选用CPU315-2DP，并同时加扩展存储器2M用于上位机程序下载存储用。
（4）生产泵软启动器，选用西门子3RW2236电子式电动机软启动器，用于控制电机的软启动、软停止。
（5）工控机，监控计算机具有对整个供水系统进行集中监控管理，实现“集中监控、集中维护、集中管理”的维护管理目标。
1.2.3 消防水泵软启动部分
消防水泵软启动部分由两台西门子3RW2237软启动器构成。
消防水泵共2台，一用一备。当生产区出现火灾时，加压站接到信号，手动启动1台消防泵;当生产区出现多处火灾，管网压力下降厉害时，手动启动另一台消防泵。消防泵设有就地手动控制和微机综合控制台手动控制。工控机监测其运行状态和参数。
1.3 系统间的通讯连接
1.3.1 S7-300可编程控制器与变频器、软启动器的链接
（1）Profibus 总线。
S7-300可编程控制器通过现场总线Profibus经现场总线适配器RPEA-1与ABB变频器ACS800进行链接。在与每台变频器进行连接时设定相应地址码ID，由于有两台变频器，1台工作另外1台作为备用，故两台变频器设定各自的ID，以便1台变频器发生故障时另1台自动切换。
对于现场总线，设定的额定速度给定值和从传动单元接收的实际速度值，进行比例换算后下传和上传。
（2）STEP7软件的运用。
STEP7标准软件包是西门子可编程控制器与工业软件包，它与Windos的图形和面向对象的操作原理相匹配。该标准软件包运行在操作系统WIN95/98/NT/2000下。
①硬件组态。为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。组态可编程控制器时，从电子目录中选择一个机架，并在机架中将选中的模块安装在所需要的槽上。组态分布式I/O与组态中央I/O一致。给CPU赋值参数的过程中，通过菜单的指导设置属性，输入的数据保存在系统数据块中。在向模块作参数赋值的过程中，所有设置的参数都是用对话框来设置的，参数赋值向模块的传送是在CPU启动过程中自动完成。功能模块（FM）和通讯处理器（CP）的参数赋值，也在硬件组态工具中完成。
②网络组态（NETPRO）。通过MPT，实现使用NETPRO时间驱动的循环数据传送。选择通讯站点;设置通讯连接。
（3）PLC与软启动器的通讯和设置
在软启动器上安装3UF5模块，通过Profibus总线与S7-300PLC上的CPU343-2通讯模块进行通讯，通过压力数据采集、计算由PLC程序自动执行软启动和停止。通过RS232系统接口点对点通讯，软件可以在线分配参数，操作、监控和测试。
（4）PLC与其它器件的通讯
压力信号检测与设定及压力闭环处理，压力设定值都由上位机来设定，通过上位机（NP/DP卡）与S7-300可编程控制器上装设CPU343-5通讯模块进行通讯。
超声波流量计信号检测与存储;超声波液位计信号检测与控制;各种开关量信号的检测与控制。
1.3.2 上位机与S7-300可编程控制器的连接（PLC）
根据要求，系统采用两级控制，现场控制站采用西门子S7-300系列PLC，通过PLC完成对过程参数的采集、运算和控制;监控和管理级采用研华工业控制计算机，工控机通过与PLC数据的通讯，完成供水系统状态的监控，数据的存储、查询和报表的生成。为保证监控软件的稳定可靠和可扩展性，采用西门子WINCC监控软件。
现场控制站PLC与上位监控计算机通讯时，采用RS232C点对点串行通讯接口。给RS232C加装一个光隔电流环，可以隔断工控机与PLC两个地之间的联系，极大地提高其抗干扰能力，提高了监控计算机的抗干扰水平。
2 系统调试
（1）变频器和软启动器参数按电机参数置入，调试变频器和软启动器。
（2）闭环调节变频器，利用变频器本身PID调节，根据经验预置PID参数，水压从0.1 MPa压力设定开始调试，观察变频器在供水时快速反应和稳态状况，然后再逐步过渡到良好状况，此时PID值为设定的PID值。
（3）软启动器启动泵后，观察供水的稳定状况，调整软启动时间——电压曲线。
软停止泵后，观察供水的状况，调整软停止时间——电压曲线。
（4）调试PLC程序，将变频器得出的PID值存储在PLC中，进行多机联合调试，测试相关参数，检测软件正确性。
（5）上位机与可编程控制器通讯，设定压力进行调试，读出所需电流、输出频率、流量、液位等参数并显示，检测软件正确性。
（6）人为设定故障，观察上位机及各报警状况。
3 系统运行
（1）系统调试正常后，试运行;（2）系统运行半年后，对比改造前后，水泵变频运行节约电能在15%左右。达到改造目的和效果。
4 结束语
采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，减轻了工人劳动强度，而且节能效果明显，并延长了主管网及其限门的使用寿命。电机均为软启动，实现了电机的平滑无级调速，电网无冲击电流，电机也消除了启动时的瞬时高电流，也相对延长了电机的使用寿命。由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作。
参考文献
[1] 王卫兵，高俊山.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社， 2010.
[2] 农华. 变频恒压供水系统在供水加压站的应用[J]. 企业科技与发展月刊， 2010（1）：55.
[3] 农华 变频恒压供水系统在供水加压站的应用[J]. 企业科技与发展， 2010（4）：23-24.
[4] 雷济民， 易伟， 祝年俊，等. 变频恒压供水系统在金堂加压泵站的应用[J]. 西南给排水， 2009， 31（6）：37-41.
[5] 谢社平， 李大燕， 申建军，等. 遥控遥测及变频恒压供水系统在邵东水司的应用[J]. 城镇供水， 2005（2）58.
[6] 趙胜亮. 水泵串联技术在二次加压泵站中的应用[J]. 城镇供水， 2005（2）：33-34.
[7] 文君， 汪引红， 郑涛. 变频恒压供水控制技术在泵站供水系统中的应用[J]. 工业安全与环保， 2006（5）：69.
[8] 李杨. 水泵变频调速恒压供水电路的应用[J]. 全文版：工程技术， 2016（5）：285-286.
[9] 包玉芝. 变频器在矿井加压供水系统中的应用[J]. 科技咨询导报， 2007（29）：106-107.
[10] 张云昌. 变频技术在恒压供水系统中的应用[J]. 建筑工程技术与设计， 2018（15）：236.
[关键词]PLC 变频调速;触摸屏;软启动器;压力传感器
[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–00–03
Application of Frequency Conversion Constant Pressure Water Supply
Technology in Pressurizing Station
Yang Zhao-hu
[Abstract]The frequency conversion and constant pressure water supply system project of the pressurization station adopts imported industrial computer or PLC as the control host， and uses the frequency converter as the speed control control. Through the RS-232 communication interface， the industrial configuration software is used to realize the automatic control of the water supply system and its Computer monitoring and management of various parameters. In this way， the water level alarm of the reservoir can be realized， and the water supply network can be supplied with constant pressure.
[Keywords]PLC frequency conversion speed regulation; touch screen; soft starter; pressure sensor
某加壓站为区域供水，原有6台加压泵，1台45 kW、3台75 kW、2台160 kW，均采用接触器-继电器控制。设备陈旧、老化、能耗大;管网供水压力靠操作人员开、停泵和开、关阀门手动调节，这样既浪费人力，控制也不可靠。而某加压站的运行情况关系到科研生产用水的供给，加压站设备一旦损坏，将直接影响到正常生产，给公司造成重大损失。
近年来，随着异步电动机变频调速技术的迅速发展和日趋成熟，供水系统正逐步采用变频恒压供水，利用变频调速技术，不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果，还可以极大地改善系统的工作性能，并能延长系统的使用寿命，克服了传统供水方式的种种缺点。
成都飞机工业有限责任公司经过论证，决定采用台湾研华的工控机、ABB变频器、德国西门子S7-300系列PLC和3RW22系列软启动器等产品，来对某加压站进行变频恒压供水改造。
1 系统设计
1.1 系统概况
某加压站供水系统分为生产用水泵为二用一备，水泵功率为132 KW;消防水泵一用一备，水泵功率为155 KW，供水流程是通过分布全厂的23口深井将水源经深井泵送至厂内三个水库，生产水泵和消防水泵从水库将水抽出并加压，送至公司各厂房及办公楼的用水点。
1.2 系统组成
本系统由微机综合控制台、生产水泵变频恒压控制部分、消防水泵软启动部分等组成。
1.2.1 微机综合控制台
（1）微机综合控制台由工控机、打印机、音响装置、测量仪表、电动阀门开关、消防泵开关、电源开关、输入输出接口及指示灯等硬件组成。
（2）控制台观测两条输水管的流量（包括瞬时流量和累加流量）;监控三个水库水位信号;监控供水干管的压力并对三台生产泵、两台消防泵实施远程控制。
1.2.2 生产水泵变频恒压控制部分
变频恒压控制部分由变频器、软启动器、可编程控制器、触摸屏、空气开关及交流接触器等硬件组成（见图1）。
（1）变频恒压水泵工作原理，以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。
其工作原理框图如图1所示。
（2）变频器，2台变频器均选用ABB公司ACS800-04-0170-3+P901，变频器采用2种启动方式：本地控制（LOC），通过显示盘把电机基本参数设定在ABB变频器中：如电机额定电压、电流、转速、功率等参数;确定电机运转方向;设置最小转速和最大转速;压力给定值的设定。
远程控制（ME），ACS800可以接受来自数字/模拟输入口的启动，停止和方向命令给定信号值。利用现场总线适配器REPA-1能通过开放的现场总线profibus连接控制传动单元（变频器）的工作。ACS800支持Generic drives通讯协议;具有PID环节;具有自诊断功能。该诊断信号通过S7-300可编程控制器通讯并上传至上位机显示，同时对数据进行处理。ACS800具有睡眠功能，当低于某一流量时，处于停机状态，当流量达到一定量要求时自动唤醒。2台变频器通过PLC程序定时切换，当其中一台变频器工作24h后自动切换至另一台变频器工作。 （3）可编程控制器，可编程控制器选用西门子S7-300型。该PLC是模块化结构设计，扩展非常方便。为了满足要求，选用CPU315-2DP，并同时加扩展存储器2M用于上位机程序下载存储用。
（4）生产泵软启动器，选用西门子3RW2236电子式电动机软启动器，用于控制电机的软启动、软停止。
（5）工控机，监控计算机具有对整个供水系统进行集中监控管理，实现“集中监控、集中维护、集中管理”的维护管理目标。
1.2.3 消防水泵软启动部分
消防水泵软启动部分由两台西门子3RW2237软启动器构成。
消防水泵共2台，一用一备。当生产区出现火灾时，加压站接到信号，手动启动1台消防泵;当生产区出现多处火灾，管网压力下降厉害时，手动启动另一台消防泵。消防泵设有就地手动控制和微机综合控制台手动控制。工控机监测其运行状态和参数。
1.3 系统间的通讯连接
1.3.1 S7-300可编程控制器与变频器、软启动器的链接
（1）Profibus 总线。
S7-300可编程控制器通过现场总线Profibus经现场总线适配器RPEA-1与ABB变频器ACS800进行链接。在与每台变频器进行连接时设定相应地址码ID，由于有两台变频器，1台工作另外1台作为备用，故两台变频器设定各自的ID，以便1台变频器发生故障时另1台自动切换。
对于现场总线，设定的额定速度给定值和从传动单元接收的实际速度值，进行比例换算后下传和上传。
（2）STEP7软件的运用。
STEP7标准软件包是西门子可编程控制器与工业软件包，它与Windos的图形和面向对象的操作原理相匹配。该标准软件包运行在操作系统WIN95/98/NT/2000下。
①硬件组态。为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。组态可编程控制器时，从电子目录中选择一个机架，并在机架中将选中的模块安装在所需要的槽上。组态分布式I/O与组态中央I/O一致。给CPU赋值参数的过程中，通过菜单的指导设置属性，输入的数据保存在系统数据块中。在向模块作参数赋值的过程中，所有设置的参数都是用对话框来设置的，参数赋值向模块的传送是在CPU启动过程中自动完成。功能模块（FM）和通讯处理器（CP）的参数赋值，也在硬件组态工具中完成。
②网络组态（NETPRO）。通过MPT，实现使用NETPRO时间驱动的循环数据传送。选择通讯站点;设置通讯连接。
（3）PLC与软启动器的通讯和设置
在软启动器上安装3UF5模块，通过Profibus总线与S7-300PLC上的CPU343-2通讯模块进行通讯，通过压力数据采集、计算由PLC程序自动执行软启动和停止。通过RS232系统接口点对点通讯，软件可以在线分配参数，操作、监控和测试。
（4）PLC与其它器件的通讯
压力信号检测与设定及压力闭环处理，压力设定值都由上位机来设定，通过上位机（NP/DP卡）与S7-300可编程控制器上装设CPU343-5通讯模块进行通讯。
超声波流量计信号检测与存储;超声波液位计信号检测与控制;各种开关量信号的检测与控制。
1.3.2 上位机与S7-300可编程控制器的连接（PLC）
根据要求，系统采用两级控制，现场控制站采用西门子S7-300系列PLC，通过PLC完成对过程参数的采集、运算和控制;监控和管理级采用研华工业控制计算机，工控机通过与PLC数据的通讯，完成供水系统状态的监控，数据的存储、查询和报表的生成。为保证监控软件的稳定可靠和可扩展性，采用西门子WINCC监控软件。
现场控制站PLC与上位监控计算机通讯时，采用RS232C点对点串行通讯接口。给RS232C加装一个光隔电流环，可以隔断工控机与PLC两个地之间的联系，极大地提高其抗干扰能力，提高了监控计算机的抗干扰水平。
2 系统调试
（1）变频器和软启动器参数按电机参数置入，调试变频器和软启动器。
（2）闭环调节变频器，利用变频器本身PID调节，根据经验预置PID参数，水压从0.1 MPa压力设定开始调试，观察变频器在供水时快速反应和稳态状况，然后再逐步过渡到良好状况，此时PID值为设定的PID值。
（3）软启动器启动泵后，观察供水的稳定状况，调整软启动时间——电压曲线。
软停止泵后，观察供水的状况，调整软停止时间——电压曲线。
（4）调试PLC程序，将变频器得出的PID值存储在PLC中，进行多机联合调试，测试相关参数，检测软件正确性。
（5）上位机与可编程控制器通讯，设定压力进行调试，读出所需电流、输出频率、流量、液位等参数并显示，检测软件正确性。
（6）人为设定故障，观察上位机及各报警状况。
3 系统运行
（1）系统调试正常后，试运行;（2）系统运行半年后，对比改造前后，水泵变频运行节约电能在15%左右。达到改造目的和效果。
4 结束语
采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，减轻了工人劳动强度，而且节能效果明显，并延长了主管网及其限门的使用寿命。电机均为软启动，实现了电机的平滑无级调速，电网无冲击电流，电机也消除了启动时的瞬时高电流，也相对延长了电机的使用寿命。由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作。
参考文献
[1] 王卫兵，高俊山.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社， 2010.
[2] 农华. 变频恒压供水系统在供水加压站的应用[J]. 企业科技与发展月刊， 2010（1）：55.
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[10] 张云昌. 变频技术在恒压供水系统中的应用[J]. 建筑工程技术与设计， 2018（15）：236.