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摘要：目前，高层住宅普遍采用叠压供水方式，其供水的可靠性、安全性很大程度上取决于其自控系统的性能。该文就开发的一款叠压供水自控方案进行详细介绍。
关键词：叠压 自动控制 供水 PLC 变频
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2010)011-007-02
1 概述
随着经济社会的不断发展，居民住宅中高层建筑所占的比例也越来越大。受城市供水管网压力所限，居民供水中采用二次加压供水的用户也越来越多。传统的二次加压供水方式是将管网中的自来水储存到水池或水箱，然后再通过加压设备把水供给用户。这种供水方式需定期对供水设施进行清洗，且需进行二次消毒处理。一旦管理不善极易造成水质污染，影响安全供水。为克服以上缺点，目前传统的二次供水方式已逐渐被一种新型的供水方式一叠压供水(又称无负压供水)所取代。这种供水方式由一套叠压供水设备来实现。该设备由水泵机组、稳流补偿器、防倒流装置、控制柜、阀门、管路等组成，采用全封闭的结构，直接与供水管网连接，充分利用管网余压，节能效果显著，同时彻底杜绝了生活用水的二次污染问题，因此是一种真正意义的节能、环保型设备，具有极广泛的应用前景。
2 控制方案
叠压供水从功能上讲仍属变频恒压供水。其运行方式必须满足无人值守、连续、安全、可靠的要求。为此，一套性能稳定、调节灵活的自控系统必不可少。目前，针对恒压供水的自控方案主要有两种：(1)采用多功能专用变频器；(2)PLC+变频器方式。其中第一种方式集成了变频器和PLC的功能，具备一拖多、循环变频功能。由于它是一体化的控制设备，所以它还具有安装方便、投资省、抗干扰能力强等优点。但它也存在功能不够灵活、适应性不强的缺点。后一种方案以其功能强、适应范围广等优点仍居变频自控的主导地位。笔者开发的这款自控系统即采用此方案。
2.1 主电路
主电路采用一台变频器分别控制2-4台水泵(根据实际需要可选)，水泵均为双主回路(变频、工频)的驱动方式。由于变频器的价格比其它电气设备相对较高，对于叠压供水系统一般都配置多台水泵。从节约投资的角度考虑，本案采用“一拖多”的控制方式。
2.2 控制系统
控制系统由压力变送器、PLC、触摸屏组成。压力变送器用来测量进水和出水压力。PLC根据供水管压力、变频器的输出频率来控制水泵的投入和退出。变频器的输出频率则由PLC经过PID运算后的DA输出来控制。
PLC和触摸屏完成整个系统逻辑控制和人机交互。
3 自控系统的硬件配置
控制系统的硬件主要包括PLC、变频器、触摸屏、压力变送器等组成。
3.1 PLC
西门子$7-200系列小型PLC以其紧凑的结构、灵活的配置、低廉的成本以及功能强大的指令集成为各种小型控制任务理想的解决方案。控制系统共包括开关量输出9个，开关量输入7个，模拟量输入2个，模拟量输出1个。
根据PLC控制系统所需点数，参照西门子$7-200系列PLC的选型目录及市场价格，选用主机型号为CPU224 XP，该型号PLC集成了14路数字量输入、lO路数字量输出、2路模拟量输入、1路模拟量输出。完全满足本产品的需要。
3.2 变频器
本系统中的另一关键设备是变频器。恒压供水是使用变频器的调速功能通过调节水泵的转速来实现。为节省投资，一般只配备一台变频器，其中一台泵用变频器驱动，其它泵仍然用工频电源驱动。综合品牌、价格、质量等因素，本系统选用ABB公司的ACS510-01变频器。ACS510系列变频器作为高品质的变频调速设备广泛应用于工业控制领域，特别适合于风机、水泵传动。它内置丰富的应用宏，典型应用就包含了恒压供水等。
3.3 触摸屏
为方便调试及操作控制，本系统的人机界面(HMI)采用西门子的MP277-8TOUCH型触摸屏。MP277是一款基于图形操作界面的终端设备，利用它可以对机器和设备完成各种控制和监视任务。MP277还具有开发简便、调试时间短、存储空间大、性能高等特点。因此极适合于本系统的控制要求。
4 软件设计及功能
本系统软件设计包括PLC软件设计和触摸屏软件设计。
4.1 PLC软件设计
(1)开发平台
本系统采用西门子$7-200 PLC，开发平台为STEP 7-Micro／WIN编程软件。STEP7-Micro／WIN是运行于微软视窗操作系统下的可视化的集成开发环境。它为用户开发、编辑、和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
(2)软件功能
PLC的软件设计是本系统的核心，它的功能概括起来就是根据系统设定的供水压力自动控制工频运行水泵的台数，并根据PID算法自动调节变频器的输出频率，进而通过调整变频运行的水泵的转速来减少压力偏差，以达到保持压力恒定的目的。具体过程是：1)加泵：系统初始上电，延时自动启动一台泵变频运行。若压力在规定时间内没有达到给定值，且变频器的输出频率又达到了上限频率，则将当前变频泵变为工频运行，同时按先停先开的原则，将另一台待用泵投入变频运行，以此类推，直到所有泵都投入运行。2)减泵：系统在运行过程中，若压力持续高于给定压力一定时间，且变频器的输出频率低于下限频率，则自动停止一台最先运行的工频泵。以此类推，直到只剩下一台变频泵在运行。3)换泵：若在一定周期内，系统没有加泵或减泵，为避免某台泵长期运行，则自动执行换泵程序，即先停一台最先投入运行的泵，再开一台待用泵。本系统除完成以上加泵、减泵、换泵功能外，还具有欠压、过压保护、低水位保护，变频器故障保护及告警等功能。
4.2 触摸屏软件设计
(1)开发平台
MP277系列触摸屏是西门子公司人机界面的升级换代产品。它采用更加先进的内部处理器和更大的内部存储器，增加了PROFINET以太网和USB接口，使用WinCC Flexible作为组态编程软件。该软件功能强大、界面更加人性化，显著提高了编程人员的工作效率。目前的最新版本是WinCCFlexible2008，本系统就是采用该版本开发的。
(2)软件功能
依赖于WinCC Flexible组态软件的支持，人机界面软件的开发难度己大大降低。WinCC Flexible作为西门子新一代操作面板开发平台，具备了数据输入、存储、处理、分析和输出等基本功能，并为用户提供了丰富的数据表现形式，如动画、曲线、图表等。在充分了解使用部门的需求后，结合实际情况，进行了软件开发工作，并在实际应用中，根据应户的意见，不断地对系统进行更新和维护，大大提高了该系统的实用性。具体实现的功能有：
1)输入输出：使用动画和图表实时显示水泵的运行状态和参数。通过图形化的按钮、开关、文本框等实现对设备的各种操作及参数输入。
2)动态曲线：实时显示进水和出水压力曲线。方便用户查看系统的控制性能。
3)故障报警：对系统能对各种故障如低水位、欠压、超压、变频器故障及时发出报警信号，并能记录报警发生的种类及时间，方便用户查找故障原因。
4)系统管理：高效的口令验证及权限设定，使系统具有较高的安全性。
5 结束语
该系统采用高性能PLC、变频器、触摸屏作为核心没备，软硬件设计都经过实验的严格检验和校正，系统可靠性和稳定性都能够得到有效的保障。目前该叠压供水系统已经批量生产并推向市场，使用情况良好，并得到了用户的好评。
关键词：叠压 自动控制 供水 PLC 变频
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2010)011-007-02
1 概述
随着经济社会的不断发展，居民住宅中高层建筑所占的比例也越来越大。受城市供水管网压力所限，居民供水中采用二次加压供水的用户也越来越多。传统的二次加压供水方式是将管网中的自来水储存到水池或水箱，然后再通过加压设备把水供给用户。这种供水方式需定期对供水设施进行清洗，且需进行二次消毒处理。一旦管理不善极易造成水质污染，影响安全供水。为克服以上缺点，目前传统的二次供水方式已逐渐被一种新型的供水方式一叠压供水(又称无负压供水)所取代。这种供水方式由一套叠压供水设备来实现。该设备由水泵机组、稳流补偿器、防倒流装置、控制柜、阀门、管路等组成，采用全封闭的结构，直接与供水管网连接，充分利用管网余压，节能效果显著，同时彻底杜绝了生活用水的二次污染问题，因此是一种真正意义的节能、环保型设备，具有极广泛的应用前景。
2 控制方案
叠压供水从功能上讲仍属变频恒压供水。其运行方式必须满足无人值守、连续、安全、可靠的要求。为此，一套性能稳定、调节灵活的自控系统必不可少。目前，针对恒压供水的自控方案主要有两种：(1)采用多功能专用变频器；(2)PLC+变频器方式。其中第一种方式集成了变频器和PLC的功能，具备一拖多、循环变频功能。由于它是一体化的控制设备，所以它还具有安装方便、投资省、抗干扰能力强等优点。但它也存在功能不够灵活、适应性不强的缺点。后一种方案以其功能强、适应范围广等优点仍居变频自控的主导地位。笔者开发的这款自控系统即采用此方案。
2.1 主电路
主电路采用一台变频器分别控制2-4台水泵(根据实际需要可选)，水泵均为双主回路(变频、工频)的驱动方式。由于变频器的价格比其它电气设备相对较高，对于叠压供水系统一般都配置多台水泵。从节约投资的角度考虑，本案采用“一拖多”的控制方式。
2.2 控制系统
控制系统由压力变送器、PLC、触摸屏组成。压力变送器用来测量进水和出水压力。PLC根据供水管压力、变频器的输出频率来控制水泵的投入和退出。变频器的输出频率则由PLC经过PID运算后的DA输出来控制。
PLC和触摸屏完成整个系统逻辑控制和人机交互。
3 自控系统的硬件配置
控制系统的硬件主要包括PLC、变频器、触摸屏、压力变送器等组成。
3.1 PLC
西门子$7-200系列小型PLC以其紧凑的结构、灵活的配置、低廉的成本以及功能强大的指令集成为各种小型控制任务理想的解决方案。控制系统共包括开关量输出9个，开关量输入7个，模拟量输入2个，模拟量输出1个。
根据PLC控制系统所需点数，参照西门子$7-200系列PLC的选型目录及市场价格，选用主机型号为CPU224 XP，该型号PLC集成了14路数字量输入、lO路数字量输出、2路模拟量输入、1路模拟量输出。完全满足本产品的需要。
3.2 变频器
本系统中的另一关键设备是变频器。恒压供水是使用变频器的调速功能通过调节水泵的转速来实现。为节省投资，一般只配备一台变频器，其中一台泵用变频器驱动，其它泵仍然用工频电源驱动。综合品牌、价格、质量等因素，本系统选用ABB公司的ACS510-01变频器。ACS510系列变频器作为高品质的变频调速设备广泛应用于工业控制领域，特别适合于风机、水泵传动。它内置丰富的应用宏，典型应用就包含了恒压供水等。
3.3 触摸屏
为方便调试及操作控制，本系统的人机界面(HMI)采用西门子的MP277-8TOUCH型触摸屏。MP277是一款基于图形操作界面的终端设备，利用它可以对机器和设备完成各种控制和监视任务。MP277还具有开发简便、调试时间短、存储空间大、性能高等特点。因此极适合于本系统的控制要求。
4 软件设计及功能
本系统软件设计包括PLC软件设计和触摸屏软件设计。
4.1 PLC软件设计
(1)开发平台
本系统采用西门子$7-200 PLC，开发平台为STEP 7-Micro／WIN编程软件。STEP7-Micro／WIN是运行于微软视窗操作系统下的可视化的集成开发环境。它为用户开发、编辑、和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
(2)软件功能
PLC的软件设计是本系统的核心，它的功能概括起来就是根据系统设定的供水压力自动控制工频运行水泵的台数，并根据PID算法自动调节变频器的输出频率，进而通过调整变频运行的水泵的转速来减少压力偏差，以达到保持压力恒定的目的。具体过程是：1)加泵：系统初始上电，延时自动启动一台泵变频运行。若压力在规定时间内没有达到给定值，且变频器的输出频率又达到了上限频率，则将当前变频泵变为工频运行，同时按先停先开的原则，将另一台待用泵投入变频运行，以此类推，直到所有泵都投入运行。2)减泵：系统在运行过程中，若压力持续高于给定压力一定时间，且变频器的输出频率低于下限频率，则自动停止一台最先运行的工频泵。以此类推，直到只剩下一台变频泵在运行。3)换泵：若在一定周期内，系统没有加泵或减泵，为避免某台泵长期运行，则自动执行换泵程序，即先停一台最先投入运行的泵，再开一台待用泵。本系统除完成以上加泵、减泵、换泵功能外，还具有欠压、过压保护、低水位保护，变频器故障保护及告警等功能。
4.2 触摸屏软件设计
(1)开发平台
MP277系列触摸屏是西门子公司人机界面的升级换代产品。它采用更加先进的内部处理器和更大的内部存储器，增加了PROFINET以太网和USB接口，使用WinCC Flexible作为组态编程软件。该软件功能强大、界面更加人性化，显著提高了编程人员的工作效率。目前的最新版本是WinCCFlexible2008，本系统就是采用该版本开发的。
(2)软件功能
依赖于WinCC Flexible组态软件的支持，人机界面软件的开发难度己大大降低。WinCC Flexible作为西门子新一代操作面板开发平台，具备了数据输入、存储、处理、分析和输出等基本功能，并为用户提供了丰富的数据表现形式，如动画、曲线、图表等。在充分了解使用部门的需求后，结合实际情况，进行了软件开发工作，并在实际应用中，根据应户的意见，不断地对系统进行更新和维护，大大提高了该系统的实用性。具体实现的功能有：
1)输入输出：使用动画和图表实时显示水泵的运行状态和参数。通过图形化的按钮、开关、文本框等实现对设备的各种操作及参数输入。
2)动态曲线：实时显示进水和出水压力曲线。方便用户查看系统的控制性能。
3)故障报警：对系统能对各种故障如低水位、欠压、超压、变频器故障及时发出报警信号，并能记录报警发生的种类及时间，方便用户查找故障原因。
4)系统管理：高效的口令验证及权限设定，使系统具有较高的安全性。
5 结束语
该系统采用高性能PLC、变频器、触摸屏作为核心没备，软硬件设计都经过实验的严格检验和校正，系统可靠性和稳定性都能够得到有效的保障。目前该叠压供水系统已经批量生产并推向市场，使用情况良好，并得到了用户的好评。