基于USS通信的變頻無負壓二次供水系統

高啟龍 張鴻強 王 亮

(1.蘭州熱能有限公司，蘭州 730010；2.蘭州理工大學機電工程學院,蘭州 730050；3.中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏 靈武 750411)

隨著人們生活水平的提高，對供水質量和供水系統可靠性的要求也不斷提高。而傳統的恒壓供水系統主要通過二次加壓泵站將水供給到用戶，但因管理不善，水箱和水池無法定期清洗消毒。此外，由于系統本身的一些缺陷，使系統頻繁啟停，水泵工作效率低下，不僅影響供水質量而且還造成了很大的能源浪費。因此，設計開發控制性能優越、供水質量高、節能、節資的供水設備具有很大的應用前景。筆者通過PLC與西門子變頻器之間的USS通信，來控制變頻器的啟停和頻率變化，加之無負壓供水機組的應用，設計實現了具有硬件簡單、造價低、節電、節水、運行可靠及控制靈活等特點的恒壓供水系統。

1 恒壓供水系統的組成及其工作過程①

1.1 系統組成

總體來說恒壓供水系統由電氣控制和機械設備兩部分組成，而電氣控制部分主要由以S7-200PLC為核心控制部件的變頻器控制柜組成，其中包括上位機觸摸屏、MM430變頻器及壓力傳感器等。機械設備部分主要由4臺水泵、穩流罐、氣壓罐及閥等部件組成。其中水泵機組流量的大小根據用戶的用水需求量來選擇，本系統中4臺水泵機組由3臺大流量泵和1臺小流量泵組成，以S7-200PLC為核心，通過控制變頻器的啟停和頻率自動調節來實現恒壓供水[1]。恒壓供水系統的運行原理如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統運行原理

1.2 工作過程

當設備投入使用后，自來水管網的水進入穩流罐，罐內真空由真空消除器排除，待水充滿后真空消除器自動關閉。一般來說，自來水管網壓力不能滿足用水需求，此時，系統壓力信號由遠傳壓力表反饋給PLC，經過PLC內部計算分析后輸出運算結果，控制相應的水泵啟停動作，并根據用水量自動調節轉速達到恒壓供水，若運轉水泵達到工頻轉速，則啟動另一臺水泵變頻運行。水泵供水時，若自來水管網供水量大于水泵流量，系統形成接力供水；用水高峰時，若自來水管網供水小于水泵流量，穩流罐內的水作為補充水源仍能正常供水，同時，真空消除器開始動作，及時抑制罐內真空形成，確保自來水管網不產生負壓；用水高峰過后，系統恢復到接力供水狀態。當自來水管網停水，造成機組進口壓力下降時，進口壓力變送器將信號反饋給PLC，系統自動停機，以保護水泵機組。

2 變頻無負壓恒壓供水控制過程分析

在本系統投入使用開始，系統首先將供水機組的出口壓力和進口壓力通過壓力傳感器采集轉換為4～20mA電流信號，再傳入PLC的EM231模擬量采集模塊，PLC內部將采集到的壓力信號與設定的進口壓力、出口壓力和控制目標壓力值進行比較，然后做出相應的控制輸出[2]。控制流程如圖2所示。

圖2 控制系統流程

2.1 壓力檢測與保護

為了確保機組運行可靠，系統在運行過程中對出口壓力和進口壓力的檢測必不可少。若系統在運行開始時，檢測到進口壓力低于設定值，即認為是市政管網缺水，此時PLC將禁止水泵運行，起到缺水保護的作用；同理，若在運行過程中檢測到管道出口壓力高于最大設定壓力值，則認為該系統壓力變送器出現異常，有可能導致爆管等危險事故，PLC會立即停止運行的水泵。

此外，在該機組中還安裝了電接點壓力表，如果出口壓力變送器出現異常,電接點壓力表在實際壓力超過設定值時，會給PLC輸入一個開關量信號，這樣PLC便立即停止運行的水泵，具有雙重保護的作用，提高了系統的可靠性。

2.2 增減泵控制過程

在實際運行過程中，高層居民用水量是實時變化的，所以管網的壓力也在隨時變化，以至于系統會實時出現變頻器頻率升降和加減泵的現象，以保證管網內的壓力維持在設定值。

當系統在檢測到市政管網供水正常，機組出口壓力低于設定的目標壓力值時，系統判斷變頻器當前的運行頻率，當運行頻率高于設定頻率上限時，程序執行變頻切工頻過程，即先停止變頻運行，并瞬間吸合工頻接觸器，實現水泵的變頻與工頻切換。之后一段時間若壓力還無法滿足用戶需求，則變頻啟動下一臺水泵，依次循環，直到滿足用戶使用需求為止。與此相反，當出口壓力高于設定值，而變頻器的頻率降到設定頻率下限時，則自動切除最先運行的工頻水泵，直至工頻泵全部停止，最后如果只有一臺變頻泵運行，并且頻率還低于最低頻率，則所有泵都停止工作。直到下次用水量增加時，在檢測到無大泵投入的情況下，先啟動小流量泵，以達到節能的目的，當小泵無法滿足壓力要求時，自動切換到大泵循環，小泵退出循環系統。整個過程依據先起先停的原則來實現各個泵的交替工作[3]。

2.3 PID調節過程

在連續控制系統中，常采用PID控制方式，它是應用范圍最廣泛的反饋控制方式。在該閉環控制系統中采用了負反饋，即當實際壓力上升到接近設定目標值時，反饋值接近設定目標值，偏差減小，PID 運算會自動減小執行量，從而降低變頻器輸出頻率，進而穩定壓力。相反，則會增加執行量來補償壓差。

在恒壓供水系統中，增減泵調節與PID調節相輔相成。在該系統中，閉環控制系統由變頻器、PLC、壓力變送器及水泵等構成，調節過程中根據供水管網對水壓的要求，給PLC內部的PID調節預置一個目標壓力值，出口壓力經壓力變送器轉換成4～20mA的模擬電流信號反饋給PLC的模擬量采集模塊，PLC內部再根據目標壓力值和實際壓力值的偏差,給出調節量,并將數據運算的結果以運行頻率的形式通過USS通信輸送給變頻器，來調節變頻器輸出頻率,使機組供水量適應用水量的變化取得動態平衡,維持水壓恒定。

3 控制電路設計

3.1 主電路

主電路如圖3所示，其主要通過不同交流接觸器的吸合來控制電機的工頻和變頻切換，圖中KM11、KM21、KM31、KM41分別為電動機M1、M2、M3、M4工頻運行時接通電源的控制接觸器，KM12、KM22、KM32、KM42分別為電動機M1、M2、M3、M4變頻運行時接通電源的控制接觸器，QF1為接通該主回路的總斷路器，QF2為變頻器接通電源的斷路器，QF3、QF4、QF5、QF6分別為M1、M2、M3、M4水泵工頻運行時接通電源的斷路器。變頻在運行時，可以起到一系列的保護作用，

但在該圖中M4為小流量泵，為大流量泵配套的大變頻器對小泵無法起到過載保護的作用，因此，M4的工頻與變頻都必須經過熱繼電器，以此來保護M4電機。

3.2 PLC控制電路

PLC控制電路如圖4所示，其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6分別控制M1、M2、M3、M4的工頻接觸器，Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7分別控制4臺水泵的變頻運行接觸器。I1.1為電接點壓力表傳來的超壓保護信號，作為出口壓力變送器異常時防止管道壓力超壓的另一種保護措施。

供水機組的進出口壓力值通過EM231模擬量采集模塊傳入PLC內部，進口壓力變送器傳送的壓力值作為反饋傳給EM231的第一路模擬量輸入端子A+和A-，出口壓力反饋接在第二路模擬量輸入端上。 在系統運行過程中，PLC根據實際壓力與設定壓力之間的比較，來控制不同泵的變頻與工頻運行信號，但在系統的切換過程中，對變頻器的保護是切換控制可靠運行的關鍵，系統中可采用硬件和軟件的雙重聯鎖保護。切換過程中，為減少電流沖擊，必須在變頻器頻率接近50Hz時才可切換至工頻。

4 PLC程序設計

4.1 PLC硬件選型和地址分配

在變頻恒壓供水系統設計中，需要從I/O點數的數量、壓力信號采集模塊、通信及經濟合理性等方面來綜合考慮PLC的選項。在該系統設計中，根據現場用戶用水量的需求，系統需采用一拖四變頻恒壓供水。因此，選用S7-200 CPU226作為控制核心，從各方面均能滿足條件。另外，為了便于程序編寫，還需進行PLC的I/O地址分配、PLC控制變頻器的地址分配、PLC與變頻器USS通信的庫地址分配及PLC進行PID控制的回路表地址分配等，而且必須保證地址分配正確，不能有交叉重疊。

4.2 PID控制程序設計

在變頻恒壓供水控制過程中，運用PLC進行供水壓力設定值與實時檢測壓力反饋值的比較及PID運算等，輸出標準控制信號。在V4.0 Step-Micro/Win SP5編程軟件中，通過指令向導，根據實際情況設置比例系數、積分時間及回路表起始地址等，并配置PID回路輸入及回路輸出等各個選項之間的變量對應關系，最終生成如圖5所示的調節模塊[4]。

圖5 PID調節模塊

4.3 USS通信程序設計

USS協議是一種基于串行總線進行數據通信的協議，也是西門子公司所有傳動產品的通用通信協議。它采用單主站的“主/從”訪問機制，并規定了在USS總線上可以有1個主站和最多30個從站；總線上的每個從站都有一個站地址，主站依靠它識別每個從站；從站也只對主站發來的報文做出響應并回送報文。作為一款在西門子傳動領域普遍使用的通信協議，它不僅支持多點通信，而且報文格式簡單可靠，使數據傳輸靈活高效。通過Step7-Micro/Win軟件指令庫中的USS庫指令，可簡單方便地實現S7-200 PLC與西門子Micro Master系列變頻器之間的通信，控制實際驅動器和讀/寫驅動器參數。

4.3.1變頻器通信參數設置

正確設置變頻器參數是USS通信成功的前提。此處變頻器通信參數設置如下：

P0700=5 設置為遠程控制模式，從USS通信接口控制

P1000=5 選擇頻率源為COM鏈路的USS設置

P2000=50 設置串行鏈路參考頻率

P2009=0 變頻器通信參數設定

P2010=6 USS通信波特率設為9 600bit/s

P2011=1 站地址設為1，與程序中一致

P2012=2 USS PZD長度

P2013=127 USS PKW長度

P2014=0 禁止通信超時

完成了變頻器中通信參數的設置[5]，再通過PLC內部USS通信庫調用USS-CTRL變頻器控制指令，并根據變頻器已經設定好的通信參數，設定PLC內部的通信波特率及站地址等參數，并使變頻器與PLC內部所設參數一致，才能完成通信報文的發送和接收。通信成功后變頻器控制指令便可以控制被激活的變頻器的啟動、停止、正反轉，進行速度給定，并返回變頻器的工作狀態，包括運行狀態指示、實際輸出頻率及轉向等。

4.3.2程序調用

變頻器的相關參數設定完成后，開始PLC內部關于USS通信程序的設計，首先在裝有USS協議庫的Step7-micro/Win軟件中調用初始化指令，在PLC上電的第一個掃描周期內調用USS初始化指令，將CPU226的Port0端口設置為自由口通信、波特率為9 600bit/s，激活站地址為1的MM430變頻器。

通過調用如圖6所示的USS-CTRL指令來控制MM430變頻器的啟停和運轉速度，具體表現為將增減泵子程序的運算結果，傳輸給變頻啟停控制地址，通過改變程序中M0.1(驅動器啟停控制位)的通斷來控制變頻器的啟停，從而達到控制機組中水泵的增減來使管道壓力恒定。另外，該系統在反饋壓力已知的條件下，判斷增減泵的唯一條件就是通過運行頻率與設定的頻率上下限比較，來輸出增減泵信號。因此如圖7所示的讀取變頻器運行頻率的指令必不可少。程序通過USS通信讀指令將變頻器運行頻率反饋給PLC,將壓力信號反饋至PID指令中的過程變量VW16，通過計算將PID的運算結果傳輸給VD200(驅動器速度設定地址)來控制變頻器的速度，從而實現恒壓供水的目的。

圖6 USS協議的控制模塊

圖7 變頻運行頻率讀取指令

5 結束語

以S7-200 PLC為核心的恒壓供水控制系統，通過USS通信實現了PLC對變頻器的控制，極大地簡化了控制系統配置，提高了控制系統的靈活性和可靠性。另外由穩流罐、氣壓罐、閥及水泵等硬件組成的無負壓管網疊壓供水機組，利用管網疊壓原理，和小流量泵的適時運行，極大地提高了系統的節能效果。實踐表明該系統具有節能、衛生安全、成本低廉及控制靈活可靠等優點，在實際應用中取得了良好的效果。

[1] 高志杰.談無負壓管網疊壓供水系統在高層建筑的應用[J].山西建筑,2013,39(22):110～111.

[2] 周峰. 基于西門子PLC控制器的恒壓供水系統設計[D].天津：天津大學,2010.

[3] 胡香玲，孫帥. 基于變頻器和PLC的恒壓供水系統研究[J].工業控制計算機，2013,26(5):21～22.

[4] 朱雪凌，張娟，許智勇，等.基于PLC的變頻恒壓供水系統的設計[J].華北水利水電學院學報,2013,34(2):87～90.

[5] 劉美俊.變頻器應用與維護技術[M].北京：中國電力出版社,2008:251.