基于S7300 PLC的变频调速恒压供水系统设计

张文彬, 邓 亮, 刘 萍

(1.上海电力大学 自动化工程学院, 上海 200090;2.广东博智林机器人有限公司 建筑机器人研究二院, 广东 佛山 528000;3.桂林电子科技大学 智能综合自动化高校重点实验室, 广西 桂林 541004)

随着社会的不断发展和城市化水平的不断提高,人们对城市供水系统的需求与日俱增。传统恒速调节方式功耗较大,无法满足现代化供水系统要求。为了降低能耗,同时适应水量和水压的变化,变频调速恒压供水技术被广泛应用于供水系统[1-3]。与恒速供水相比,变频调速恒压供水技术节能降耗效果显著,在能源利用率、调速精度和功率因数方面均比传统供水方式优越。通过该方式调节水量可大大减小设备损耗,减少机械磨损和噪声,改善水泵电机工作条件。其通过保持管网供水压力恒定以平衡供水水量和用水需求,不仅保证供水水质和水量,而且可确保供水系统运行安全可靠[4-8]。

目前,国内变频调速恒压供水系统的实现主要有以下几种方式:以单片机控制为主、相关软件为辅的控制方式[9];以可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)为主、相关软件为辅的控制方式[10-11];利用国外变频器技术控制水泵电机转速[12]实现多台水泵电机循环控制和供水压力闭环调节。在实际工程中,恒压供水系统在许多方面仍未能满足用户对动态性能、稳定性能、抗干扰性能等方面的需求[13]。因此,恒压供水专用变频器应运而生,其主要依靠变频器内部集成的水压控制器和控制逻辑实现闭环调节,可完成多台电机自动切换、定时循环控制和定时工作。但不足之处是此类变频器因接口限制可带负载较少,只适应容量小、控制要求较低的工作环境。为此,本文设计了1套基于S7-300 PLC的变频调速恒压供水系统。该系统根据用户用水需求,由自动控制系统控制变频器输出频率以调节水泵电机转速实现管网水压的闭环控制,使系统水压与用户需求水压平衡[14],既保证供水系统运行效率,又满足用户对供水水压和用水水量的要求,提高了供水品质和供水效率。

1 变频调速恒压供水系统

1.1 系统组成

变频调速恒压供水系统由控制器部分、执行机构、信号检测机构和显示部分等组成,具体如图1所示。其通过以太网与PROFIBUS通讯。

图1 变频调速恒压供水系统组成

该控制系统的控制器部分由PLC、变频器和控制电路组成,将采集的管网压力信号、报警信息通过一定控制逻辑内部处理后得到具体控制方案。控制器命令执行机构作出相应动作,通过变频器改变频率调节水泵电机转速。执行机构由3台水泵电机组成,其中1台变频运行,另2台工频运行或不工作,其工作状态由PLC决策。信号检测以模拟量信号为主,针对水管压力检测,需选取量程恰当的压力传感器。显示部分由指示灯和人机界面构成,显示信息包括电机工作状态、变频泵工作频率、管道实测水压和报警信息等。

1.2 控制原理

变频调速恒压供水系统阶梯控制逻辑如图2所示。变频调速恒压供水系统开机默认启动第一台水泵电机,当实际压力p实小于预设压力p设时,PID控制器连续调节转速。若频率达到50 Hz仍未达预设压力p设,经2 s延时控制器将1号电机变频切换工频,同时变频启动2号电机,2号电机经变频调节至50 Hz。若压力仍不足,经2 s延时2号电机变频切换工频,同时变频启动3号电机。此时,若实际压力p实大于预设压力p设且变频泵频率低至2 Hz时长达2 s,PLC切断首先投入工频运行的1号电机。该控制过程循环往复,为阶梯控制逻辑。

1.3 硬件选型与软件设计

在变频调速恒压供水系统中PLC属核心控制器件。本文选择西门子CPU315-2DP型PLC。根据人机界面易操作程度和界面规格,选择TP177B PN/DP型触摸屏。压力传感器选择丹佛斯MBS1900,其量程符合工程指标350～500 kPa的压力范围。变频器选择带有模拟量调速功能的西门子MM440变频器。根据最大用水量24 m3/h,选择IS65-40-200(2900)水泵电机。

图2 变频调速恒压供水系统阶梯控制逻辑

3台水泵电机运行状态较多,因此采用分支结构设计控制程序。以CAS表示电机运行状态,共9种工作状态,具体状态描述如表1所示。PID控制程序由循环中断程序实现,其根据定时采样数据进行PID调节。为此,需将输入压力和输出电压统一量度,可在0～100(无单位)范围内进行标幺。

表1 变频调速恒压供水系统水泵电机工作状态描述

2 仿真调试

为了说明变频调速恒压供水控制系统的有效性,在STEP 7与WinCC Flexible环境下进行仿真,按CAS1→CAS2→CAS3→CAS5→CAS7→CAS8→CAS9→CAS2→CAS4→CAS5→CAS6→CAS8→CAS1顺序进行调试。该顺序的优点在于规律明显且便于调试。

图3为系统在CAS3状态工作的参数设置仿真界面。

图3 CAS3参数设置仿真界面

其中:QB0的Q0.0,Q0.1,Q0.2,Q0.3,Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7分别表示1号水泵电机的工频线圈和信号灯、变频线圈和信号灯,2号水泵电机的工频线圈和信号灯、变频线圈和信号灯;QB1的Q1.0,Q1.1,Q1.2,Q1.3分别为3号水泵电机的工频线圈和信号灯、变频线圈和信号灯;MD112和MD116分别储存变频器可调的最大和最小速率,数值分别为100和4,代表变频器输出频率50 Hz和2 Hz;MD104是速率标幺值;MD108存储管道设定水压425 kPa,标幺值为42.5。MD100是实测水压标幺值。

图4为PID调节模块仿真调试界面。上电后1号水泵电机变频运行。测量压力小于给定压力时,控制器会调高MD104中的电压输出。

图4 PID调节模块仿真调试界面

3 实际调试

实际调试需在STEP 7的NetPro网络组态中将PLC与人机界面的站点连接到多点接口,其中PLC地址为2,人机界面地址为1,所有设备应与WinCC flexible的通讯设置对应,以免出现通讯错误,影响调试。

在PID参数设定时,为便于观察其调节情况,比例增益Kp应设定较小值,故先设置Kp为0.1,积分时间常数Ti为2 s。经过不断调试,最终设置PID模块的采样周期为200 ms,Kp为10,Ti为2 s。当测量压力小于设定压力时,CAS1切换至CAS2,PLC将1号水泵电机变频切到工频运行,2号电机变频启动,频率已达50 Hz,满足CAS3跳转条件。图5为系统工作在CAS2状态时的PID调节仿真示意图。图5中上升曲线为变频器输出频率趋势。

图5 CAS2的PID调节仿真示意

实际调试需新建一个硬件组态与实物一致的工程。变频调速恒压供水系统实物组态如图6所示。实验设备型号选择CPU为315F-2 PN/DP,数字量接口模块为SM323,模拟量接口模块为SM334。为使对象的属性地址与之前程序的I/O地址相符且要对应设置以太网地址和PROFIBUS地址,将CPU地址设为2,变频器地址设为3,在变频器面板上将P700和P1000设置为6,P918设置为3。

图6 变频调速恒压供水系统实物组态

图7为NetPro中CPU、人机界面、MM440与以太网和PROFIBUS的连接方式,此处网络地址应与硬件保持一致,人机界面地址设置为1,其余与上文一致。

图7 NetPro连接示意

图8给出了实际调试结果。

图8 变频调速恒压供水系统实物调试

图8(a)为实际接线方式。图8(b)为CAS3工作状态信号指示灯,1号、2号和3号水泵电机分别工作在工频、工频和变频状态。图8(c)为系统工作在CAS3状态时人机显示界面,3号水泵电机工作于变频状态,其频率为2.07 Hz,此时管网压力为440 kPa。图8(d)为不同压力下变频器输出频率的调节特性曲线。由图8(d)可以看出,当实测压力大于425 kPa时,PLC通过PID环节输出的频率急剧下降最低可达0 Hz。当实测压力小于425 kPa时,输出频率急剧上升最高可达50 Hz(由于刻度量程限制频率峰值无法显示)。同时,输出频率变化趋势会因实际压力偏离给定压力的程度而不同,偏离值越大,调节速度越快;反之越小。

4 结 语

本文设计了1套基于西门子S7-300 PLC的变频调速恒压供水系统,采用阶梯控制,以PID控制策略对水泵电机实施转速调节。经STEP 7 和WinCC Flexible联合仿真,通过工业总线连接实物进行实际调试,验证了该设计可实现管道水压的精确控制,其连续调节方式可大大减少机械损耗和改善恒压供水质量。