恒压变频供水

恒压变频供水

朱宝志

辽宁华孚环境工程股份有限公司，辽宁 盘锦 124013

摘 要：建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。以2022年底某小区纯净水改造项目为研究对象，分析用户用水的习惯大部分比较集中；而且，供水范围只局限于本小区用户，因此，直接恒压变频供水是比较经济实用的方案。系统采用变频器、PLC、压力传感器、液位开关等不同功能设备，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

关键词：恒压变频供水；PLC；USS；PID；触摸屏；自动控制；变频器；压力传感器；液位开关

1引言

水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。

变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水稳定等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

某小区纯净水供水系统是供小区用户直接饮用的水源，又由用户生活习惯，用水时间集中在早晨、中午、晚上三个时间段；供水仅限本小区用户使用，而且供水楼层最高为6楼。所以，直接采用恒压变频供水方式就可以解决不同时间用水量不同而保持供水压力一定范围。某小区纯净水系统是由制水系统和供水系统两部分组成，在这里我们只研究供水系统，而制水系统我们不考虑。

2系统流程

某小区供水系统是由3台供水泵、清水罐及控制系统三部分组成，控制系统又由压力传感器、变频器等主要设备组成。如图1所示。

从图1中我们可以看出，经制水系统生产出的纯净水进入清水罐，清水罐起到缓冲作用，从清水罐经供水泵A/B/C加压，再经紫外线杀菌装置及微滤器到小区用户。紫外线杀菌装置和微滤器是到用户之前进一步杀菌、过滤装置，与恒压变频供水无关，所以，在此我们也不研究他们结构及工作原理。

图1 工艺仪表流程图

3控制系统

3.1 系统组成

本供水系统与制水系统共用一套PLC，既降低了成本投资，又节省了控制柜空间大小。供水泵是由2台1.5Kw水泵和1台1.1Kw水泵组成；1套西门子S7-200 CPU226CN PLC系统；1台变频器采用西门子Micromaster440变频器；1台压力变送器安装于微滤器出口总干管上。

3.2 控制方式

变频器采用一控三的方式，就是一台变频器控制三台水泵；变频器与PLC采用西门子公司USS协议进行通讯连接；PLC采集压力传感器信号，经PLC分析转换，把信号传输到变频器上，调节水泵的转速以实现恒压变频供水。

4控制原理

4.1PLC控制系统组成

在紫源小区供水系统PLC采用的是西门子公司生产S7-200系列CPU226CN型号；模拟量输入模块采用EM231CN；变频器与PLC采用USS通讯连接，因此，系统不需要模拟量输出模块。为了与PLC直接对话，便于观察供水泵运行状态及参数变化的要求，增加一台人机界面（HMI）—触摸屏。如图2中可以清楚地看到三台供水泵的运行状态，变频器运行频率，供水泵出口压力等的参数显示。

图2 恒压变频供水画面

4.2恒压变频供水的控制系统

4.2.1PID介绍

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

在本系统中就是采用西门子S7-200PLC中的PID调节功能块，通过压力传感器传输4～20mA电流信号经EM231CN模块转换成数字信号，经PID调节指令块输出，传递给变频器以调节供水泵转速，达到调节水量的目的。下面简单介绍一下PID调节指令块的使用方法。

图3 PID调节指令块

1. 必须用 SM0.0 来使能PID，以保证它的正常运。
2. 此处输入过程值（反馈）的模拟量输入地址。
3. 此处输入设定值变量地址（VDxx），或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定0.0－100.0，此处应输入一个0.0－100.0 的实数。
4. 此处用 I0.0 控制PID 的手/自动方式，当I0.0 为1 时，为自动，经过PID 运算从AQW0 输出；当I0.0 为0 时，PID 将停止计算，AQW0 输出为ManualOutput（VD4）中的设定值，此时不要另外编程或直接给AQW0 赋值。若在向导中没有选择PID 手动功能，则此项不会出现。
5. 定义 PID 手动状态下的输出，从AQW0 输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处可输入手动设定值的变量地址（VDxx），或直接输入数。数值范围为0.0-1.0 之间的一个实数，代表输出范围的百分比。若在向导中没有选择PID 手动功能，则此项不会出现。
6. 此处键入控制量的输出地址。
7. 当高报警条件满足时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现。
8. 当低报警条件满足时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能低报警功能，则此项将不会出现。
9. 当模块出错时，相应的输出置位为 1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现。
   2. 变频器控制

本系统采用的是西门子Micromaster440变频器，与PLC通过USS通讯连接。采用一台变频器控制三台供水泵，如图4所示。每台供水泵都可以处于工频或变频状态，但只有一台供水泵处于变频工作状态，其它供水泵处于工频状态。哪台供水泵处于变频工作，哪台供水泵处于工频工作，都是由用水量大小，根据用水量大小选择供水泵的变频或工频工作，下面的章节有详细描述。

图4 变频器与供水泵连接图

4.2.3USS通讯

PLC是怎样控制变频器运行的，是通过USS通讯来实现的，下面简单介绍一下。

图5是USS_INIT 指令用于允许和初始化或禁止 MicroMaster 变频器通信。在可以使用任何其它 USS 协议指令之前，必须先执行 USS_INIT 指令且没有错误返回。指令执行完后完成位立即置位，然后才能继续执行下一条指令。

图6是DRV_CRTL指令用于控制 ACTIVE MicroMaster 变频器。这是PLC控制变频器主要指令，想了解指令参数如何应用参见西门子公司《S7-200可编程控制器系统手册》相关章节详述。

图5变频器通信指令                        图6 变频器控制指令

图5变频通讯指令详解：

1. EN： 初始化程序 USS_INIT 只需在程序中执行一个周期就能改变通信口的功能，以及进行其他一些必要的初始设置，因此可以使用 SM0.1 或者沿触发的接点调用 USS_INIT 指令；
2. Mode： 模式选择，执行 USS_INIT 时 ，Mode 的状态决定 是否在 Port 0 上使用 USS 通信功能；

3. Baud： USS 通信波特率。此参数要和变频器的参数设置一致；

4. Active： 此参数决定网络上的哪些 USS 从站在通信中有效。详见下面的说明；
5. Done： 初始化完成标志
6. Error： 初始化错误代码

图6 变频器控制指令详解

1. EN： 使用 SM0.0 使能 USS_CTRL 指令
2. RUN： 驱动装置的启动/停止控制

3. 此停车是按照驱动装置中设置的斜坡减速指电机停止
4. OFF2： 停车信号 2。此信号为“1"时，驱动装置将封锁主回路输出，电机自由停车
5. OFF3： 停车信号 3。此信号为”1"时，驱动装置将快速停车
6. F_ACK： 故障确认。当驱动装置发生故障后，将通过状态字向 USS 主站报告；如果造成故障的原因排除，可以使用此输入端清除驱动装置的报警状态，即复位。注意这是针对驱动装置的操作。
7. DIR： 电机运转方向控制。其“0/1”状态决定运行方向
8. Drive： 驱动装置在 USS 网络上的站号。从站必须先在初始化时激活才能进行控制
9. Type： 向 USS_CTRL 功能块指示驱动装置类型

10. Speed_SP： 速度设定值。速度设定值必须是一个实数，给出的数值是变频器的频率范围百分比还是绝对的频率值取决于变频器中的参数设置（如 MM 440 的 P2009）
11. Resp_R： 从站应答确认信号。主站从 USS 从站收到有效的数据后，此位将为“1"一个程序扫描周期，表明以下的所有数据都是最新的
12. Error： 错误代码。0 = 无出错。其他错误代码请参考
13. Status： 驱动装置的状态字。此状态字直接来自驱动装置的状态字，表示了当时的实际运行状态
    
    详细的状态字信息意义请参考相应的驱动装置手册。
14. Speed： 驱动装置返回的实际运转速度值，实数。是否频率值跟随设定值的规格化设定
15. Run_EN： 运行模式反馈，表示驱动装置是运行（为 1）还是停止（为 0）
16. D_Dir： 指示驱动装置的运转方向，反馈信号
17. Inhibit： 驱动装置禁止状态指示（0 - 未禁止，1 - 禁止状态）。禁止状态下驱动装置无法运行。要清除禁止状态，故障位必须复位，并且 RUN, OFF2 和 OFF3 都为 0
18. Fault： 故障指示位（0 - 无故障，1 - 有故障）。表示驱动装置处于故障状态，驱动装置上会显示故障代码（如果有显示装置）。要复位故障报警状态，必须先消除引起故障的原因，然后用 F_ACK 或者驱动装置的端子、或操作面板复位故障状态。

5工作运行

供水泵是如何根据用水量大小而选择哪台供水泵运行，是变频工作还是工频工作，这是恒压供水系统重要的控制理论。图7流程图反应出供水泵的选择原则。用水量的大小直接反应出供水管线压力的变化，测量管线上的压力就可以得到用水量的大小。假定系统初试运行，供水泵1变频运行，供水泵2、3停止运行，当用户用水量增大，管线压力降低，变频器频率上升到工频频率（50Hz）时，并且延时15S没有变化，供水泵1切换到工频运转，供水泵2变频运转；当用户用水量继续增大，管线压力继续降低，变频器频率上升到工频频率（50Hz）时，并且延时15S没有变化，供水泵2切换到工频运转，供水泵3变频运转。当用户用水量减小，管线压力升高，变频器频率下降到最低频率（0Hz）时，并且延时15S没有变化，供水泵3停止工作，供水泵2变频运转；当用户用水量继续减小，管线压力继续升高，变频器频率下降到最低频率（0Hz）时，并且延时15S没有变化，供水泵2停止工作，供水泵1变频运转。

图7 流程图

6运行调试

PID闭环调节是运行调试的最重要部分，也是最难的部分。PID 是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法，我们要确定比例、积分和微分的值。

闭环系统的调试，首先应当做开环测试。所谓开环，就是在PID 调节器不投入工作的时候，观察：

• 反馈通道的信号是否稳定

• 输出通道是否动作正常

可以试着给出一些比较保守的PID 参数，比如放大倍数（增益）不要太大，可以小于1，积分时间不要太短，以免引起振荡。在这个基础上，可以直接投入运行观察反馈的波形变化。给出一个阶跃给定，观察系统的响应是最好的方法。如果反馈达到给定值之后，历经多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应该考虑是否增益过大、积分时间过短；如果反馈迟迟不能跟随给定，上升速度很慢，应该考虑是否增益过小、积分时间过长。

总之，PID 参数的调试是一个综合的、互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的步骤，也是必须的。本系统最后确定的参数为P：63，I：15，D：0。

7结束语

某小区纯净水供水系统采用1台变频器控制3台供水泵控制方式，通过PID闭环调节控制供水泵的转数来保证供水管线的压力保持一定范围。这样，既提高了供水系统的稳定性，又降低了运行成本。

参考文献：

[1]陈伯时 电力拖动自动控制系统，第2版，机械工业出版社，1992.5：197-261

[2]王曙光，魏秋月，张高记 S7-200 PLC应用基础与实例， 人民邮电出版社，2007.9

[3]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团 S7-200CN可编程控制器产品目录，2006.10

[4]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团 S7-200CN可编程控制系统手册，2007.9

作者简介：朱宝志（1981-），男，汉族，辽宁盘锦人，本科，自动化工程师，主要是自动化项目的设计和调试。

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