基于USS通信的变频调速恒压供水系统的设计及实现

2013-09-20童克波

电气自动化 2013年5期

童克波

（兰州石化职业技术学院电子电气工程系，甘肃兰州 730060）

0 引言

城市供水系统中由于用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低;用水少而供水多，则压力大。保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高供水的质量。

1 恒压供水工作原理

系统使用一台S7－200 PLC通过USS通信控制一台西门子MM440变频器。变频器拖动三台水泵电动机。水泵电动机的起动、停止、工频和变频切换由S7－200 PLC控制。为了达到水管压力的动态恒定，实现恒压供水，系统采用PID控制。供水系统方案如图1所示。

系统将用水管中的压力变化经压力传感器采集送给压力变送器，压力变送器再将压力转变成的电压量（0～10 V）传送给PLC的模拟量输入模块EM231，PLC根据采集量的变化进行PID运算，将数据运算的结果以运行频率的形式通过USS通信输送给变频器，进而控制变频器的输出频率。

图1 供水系统方案图

当供水的压力低于设定压力，PLC就会控制变频器将运行频率升高，反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。由于本系统采用了负反馈，当压力在上升到接近设定值时，反馈值接近设定值，偏差减小，PID运算会自动减小执行量，从而降低变频器输出频率的波动，进而稳定压力。

当水网中的用水量增大时，会出现“变频泵”效率不够的情况，这时就需要增加水泵参与供水，通过PLC控制的交流接触器组负责水泵的切换工作情况［1］。PLC通过检测变频器频率输出的上下限信号来判断变频器的工作频率，从而控制接触器组是否应该增加或减少水泵的工作数量。

2 恒压供水系统的构成

恒压供水系统框图如图2所示，变频器的模拟量输入端口接受PLC模拟量输出模块的频率控制信号。

图2 恒压供水系统框图

（1）目标信号SP。该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，给定值通常是一个固定的值。

（2）反馈信号PV。是压力变送器PS反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号，与PID回路输出有关，并反映控制的效果。

（3）目标信号和反馈信号都是实际的工程物理量，其数值大小、范围和测量单位都可能不一样。执行PID指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数［2］。

3 变频调速系统设计

3.1 主电路

主电路接线如图3所示，KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器，QF1为接通变频器电源的断路器。

3.2 PLC控制电路

PLC控制图如图4所示，图中Q0.0～Q0.5分别控制接触器KM0～KM5。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电的情况，设计了电气互锁。例如在控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0的线圈中分别串入了对方的常闭触点形成电气互锁。

供水压力设定值通过实际调试设定，压力变送器传送的压力值作为反馈传给EM231的第一路模拟量输入端子A+和A－上，频率检测的上/下限信号分别控制变频器输出继电器1的19、20端子和变频器输出继电器2的21、22端子，它们分别连接到PLC的输出继电器I0.2、I0.3上，作为PLC增泵、减泵的控制信号。

在系统的切换中，对变频器的保护是切换控制可靠运行的关键。系统中可采用硬件和软件的双重联锁保护。起动过程中，必须保证每台电动机由零转速开始升速。为减少电流冲击，必须在达到50 Hz时才可切换至电网。KM0断开前，必须首先保证变频器没有输出，KM0断开后，才能闭合KM1，KM0和KM1不可同时闭合。PLC控制程序必须有软件互锁。

图4 PLC接线图

4 PLC程序设计和变频器参数设置

PLC程序设计由四部分组成:参数表，USS通信设置，PID程序设计，变频器工频、变频切换程序设计。

4.1 参数表

程序设计要使用各种参数地址，其中包括PLC的I/O地址分配、PLC控制变频器的地址分配、PLC与变频器USS通信的库地址分配、PLC进行PID控制的回路表地址分配等。这些地址要正确分配，不能有交叉重叠。参数表的设置是程序编写的重要步骤和必须环节。

4.2 USS通信设置和PID程序设计

图3 系统主电路图

打开V4.0 STEP－Micro/WIN SP5编程软件，再打开USS指令库分支，像调用子程序一样调用USS－INT指令。设置模式选择Mode=1;USS通信波特率Baud=9 600 bit/s，此参数要和变频器的参数设置一致;从站地址Active=16#08，即将处于3号物理地址的从站激活［3］。

设置完通信参数后，还要指定大概400个字节的V存储区用于支持其工作。指定VB700－VB1100为库存储区地址。

再调用变频器控制指令USS－CTRL，变频器控制指令用于变频器的运动控制，相当于将变频器上的频率给定输入与开关量输入控制全部转移到了PLC程序中。该指令同样以调用子程序的形式进行编程。

变频器控制指令可以控制被激活的变频器的启动、停止、正反转，进行速度给定，以及返回变频器的工作状态，包括运行状态指示、实际输出频率、转向等［4］。

要使供水系统稳定，必须有PID调节，其中P为比例调节，I为积分调节。D为微分调节。供水系统压力要求不是很精确，故只用PI调节即可。

S7－200PLC的PID程序编写，可以使用编程软件的PID向导编写子程序，也可以自己编写PID子程序。但使用向导编写PID子程序，子程序会变得短小、紧凑［5］。根据实际情况设置比例系数、积分时间、回路表起始地址以及设置手动模式等。

4.3 变频器工频、变频切换程序设计

变频器工频、变频切换程序要用到变频器输出继电器的频率输出信号，用以控制三台电动机的变频或工频运行。

系统起动时，KM0闭合，1#水泵以变频方式运行。如果水压过低，而变频器已经达到上限设定值时，19、20端子发出“频率上限”动作信号，PLC起动增泵程序;PLC通过这个上限信号将KM0断开、KM1吸合，1#水泵由变频运行转为工频运行，同时KM2吸合，2#水泵变频起动。此时，电动机M1工频运行，M2为变频运行。

如果再次接受到变频器上限输出信号，则KM2断开、KM3吸合，2#水泵由变频转为工频，同时KM4闭合，3#水泵变频运行，这时电动机M1、M2为工频运行，M3为变频运行。

如果供水管道压力过高，使变频器频率偏低，达到输出下限频率，21、22端子发出“频率下限”动作信号，PLC起动减泵程序，将正在使用的“变频泵”切除，将M2“工频泵”切换为“变频泵”，使PLC关闭KM4、KM3，开启KM2，2#水泵变频运行，此时电动机M1工频运行，M2变频运行。若再次收到下限信号，就关闭KM2、KM1，吸合 KM0，只剩1#水泵变频工作。

电动机运行的状态可以是一台电动机处于变频运行，其它两台停止;也可以是一台电动机工频运行，一台电动机变频运行，一台停止;还可以是两台电动机工频运行，一台电动机变频运行;极限是三台电动机都工频运行。

4.4 PLC程序设计流程图

PLC程序设计用流程图表示更为恰当，流程图如图5所示。

图5 PLC控制程序流程图

4.5 变频器主要参数设定

变频器的参数设置主要包括三个部分，一是电动机命令参数，二是变频器 USS通信参数，三是变频器输出继电器的参数［6］。电动机参数根据实际值进行设置，不需赘述。设置的主要是变频器通信参数和变频器频率到达参数。

（1）变频器USS通信参数设置。正确设置变频器参数是USS通信成功的前提，变频器通信参数设置见表1所示。

（2）变频器输出继电器的参数设置。“一拖多”恒压供水系统加泵的关键是变频器在输出频率为50 Hz时，能送出一个信号给PLC，故只需设置变频器继电器1在变频器输出频率为50 Hz时，使“19～20”闭合即可。而减泵的关键是变频器在输出频率为下限时，能送出一个信号给PLC，只需设置变频器继电器2在变频器输出频率为下限（P1080）时，使“21～22”闭合即可。