1．引言
經(jīng)隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生活水平的提高，加上居住小區(qū)推行一戶一表供水以后，對市政管網(wǎng)供水的可靠性（壓力、流量）要求越來越高，各種分散或集中加壓設(shè)施也逐漸增多。在這些加壓設(shè)施中，采用調(diào)節(jié)水池加上變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）變量供水方式在穩(wěn)定城市管網(wǎng)壓力、節(jié)約能源、系統(tǒng)監(jiān)視管理方面已顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。
2．系統(tǒng)組成情況
2.1 SINAMICS G150變頻器
源于西門子最新傳動家族的SINAMICS G150高性能單機變頻調(diào)速柜適用于所有單電機傳動的應(yīng)用，滿足多種負(fù)載特性的要求，包括平方轉(zhuǎn)距，線性轉(zhuǎn)距，恒轉(zhuǎn)距及恒功率負(fù)載類型.。采用緊湊高品質(zhì)威圖（RITTAL）柜式設(shè)計，節(jié)省占地面積30%～70%。柜內(nèi)強電保護(hù)，安靜運行（低于67dB）。使用全新主控制板CU320，智能化設(shè)計，采用CF軟件存儲卡，提供光纜接口和ProfiBus接口，功能操作面板AOP30和功能強大的軟件工具 STARTER進(jìn)行選型，調(diào)試，節(jié)能計算。SINAMICS G150變頻器配合N-Compact電機非常適用于使用平方律扭矩特性驅(qū)動泵和風(fēng)機的變頻器操作。
2.2 可編程序控制器（PLC）
選用西門子S7-300系列通用型PLC。該系列PLC能適合自動化工程中的各種應(yīng)用場合，使用模塊化結(jié)構(gòu)，各種單獨的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。使用CPU313C-2DP為核心控制單元，該模塊帶MPI和ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" 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title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP" title="ProfiBus-DP">ProfiBus-DP通信接口，配有MMC存儲卡，免維護(hù)，集成了24DI/16DI 的數(shù)字量IO，再擴(kuò)展一個8AI的模擬輸入模塊用于管網(wǎng)壓力，流量，蓄水池水位及電機軸承溫度等模擬量的檢測。
2.3工業(yè)控制計算機（IPC）系統(tǒng)
使用研華IPC610工控機，以MS Windows2000為系統(tǒng)平臺，配置CP5611用于ProfiBus-DP現(xiàn)場總線通信，SIMATIC NET 軟件配置OPC Server 使用VB6開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控軟件，MS SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫管理平臺。使用 SIMATIC SETP7 軟件進(jìn)行對系統(tǒng)的組態(tài)和編程調(diào)試，使用STARTER 軟件進(jìn)行對SINAMICS G150變頻器的配置調(diào)試。
其他設(shè)備包括水泵電機、出口閥門、壓力傳感器、液位計及相關(guān)電氣控制設(shè)備等集成，進(jìn)行變頻調(diào)速全自動閉環(huán)控制管理監(jiān)視功能，其系統(tǒng)組成示意見圖1 。

圖1 系統(tǒng)組成

3．系統(tǒng)的設(shè)計與實踐
3.1 基本控制原理
由壓力變送器測量管網(wǎng)壓力和流量信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號經(jīng)PLD的A/D轉(zhuǎn)換，和設(shè)定值比較，進(jìn)行PID運算，通過DP總線控制變頻器頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速而達(dá)到恒壓及節(jié)能原理。如圖示。
3.2 通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇與設(shè)計
PLC的發(fā)展除了功能越來越多、集成度越來越高外，
網(wǎng)絡(luò)功能也越來越強。選擇好控制器之后，選擇數(shù)據(jù)的傳輸方式——通訊網(wǎng)絡(luò)也是非常重要的。西門子根據(jù)不同自動化水平的要求（工廠級, 單元級, 現(xiàn)場和傳感器/執(zhí)行器級）,提供了網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括多點接口 （MPI）、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)、ProfiNet （基于工業(yè)以太網(wǎng)）、點對點連接 （PtP）、執(zhí)行器/傳感器接口（ASI）。目前網(wǎng)絡(luò)是一個發(fā)展趨勢，一個好的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以大大降低成本。本系統(tǒng)使用了Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)，Profibus-DP通信速率達(dá)到12Mbps,能夠方便將PC、PLC和變頻器通過一根RS485屏蔽雙絞線連接在一起實現(xiàn)通信控制，降低了布線和維護(hù)的費用。SIMATIC STEP7 提供強大的網(wǎng)絡(luò)診斷工具也給調(diào)試帶來很大方便。
3.2 變頻參數(shù)設(shè)置
可以通過多種途徑設(shè)置G150變頻器參數(shù)。使用STARTER軟件能夠方便而直觀的進(jìn)行所有的參數(shù)設(shè)置。通過STARTER的向?qū)гO(shè)置G150變頻器站地址，和波特率等參數(shù)，使之連接到DP總線上，成為S7-300PLC 的一個從站。配置連接的電機類型、電流、功率等參數(shù)，配置變頻器命令源和主參數(shù)設(shè)定源為Profibus方式，選擇速度控制方式（Speed control），定義Profibus PZD數(shù)據(jù)格式，選擇使用水泵風(fēng)機負(fù)載類型。如圖所示。

圖2 變頻器設(shè)置向?qū)?/span>

圖3 驅(qū)動原理

圖4 斜坡功能發(fā)生器（RFG）

圖5 速度設(shè)定邏輯

3.3 下位機PLC程序開發(fā)
PLC本控制系統(tǒng)的核心元件。設(shè)備服務(wù)器工控機（IPC）與S7-300數(shù)據(jù)通訊使用高速PROFIBUS-DP通訊方式變頻器和Profibus總線型西門子變頻器。基于該對象進(jìn)行PLC的硬件組態(tài)和軟件組態(tài)，然后通過SIMATIC STEP7編程實現(xiàn)PLC控制算法，實現(xiàn)單元級控制。
使用控制字CW（Control Word）控制變頻器的啟停及運行方式，故障確認(rèn)等。
監(jiān)視狀態(tài)字SW（Status Word）實時反饋變頻器的運行狀態(tài)。

圖6 SETP7 中設(shè)置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖7 STEP7里進(jìn)行硬件配置

圖8 SETP7 DP通信程序

3.4 上位機監(jiān)控程序開發(fā)
3.4.1 OPC Server通信服務(wù)器
PLC與上位監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)交互采用了先進(jìn)的OPC接口實現(xiàn)。OPC（OLE for Process Control）是以O(shè)LE/COM/DCOM 機制作為應(yīng)用程序級的通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)的實現(xiàn)包括兩個組成部分，即OPC Server和OPC Client。OPC Client通過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口與OPC Server通信，獲取OPC Server的各種信息。只要符合OPC標(biāo)準(zhǔn)的所有客戶應(yīng)用程序都可以訪問來自任何生產(chǎn)廠商的標(biāo)準(zhǔn)OPC服務(wù)器程序。與DDE相比,OPC技術(shù)更具優(yōu)越性。數(shù)據(jù)傳輸速度更快（在遠(yuǎn)程客戶數(shù)多時，OPC技術(shù)優(yōu)勢尤為突出）、更安全、開發(fā)成本更低、可靠性更高等。西門子公司提供了功能強大的OPC Server 軟件SIMATIC NET。通過SIMATIC STEP7 建立一個PC STATION 配置通信硬件CP5611，添加OPC Server和PLC建立S7通信連接編譯后下載到本地PC運行既建立了OPC Server。
SIMATIC NET 不僅是功能強大的OPC Server而且包含了測試OPC 客戶端 OPC Scout，并帶有 OPC Server Browse OCX等控件，為上位機的開發(fā)提供了很大的方便。界面的設(shè)計使用VB6，在VB6中添加SIMATIC提供的 OPC 客戶端組件，將PLC的變量和畫面上的對象直接連接起來，就象組態(tài)軟件一樣方便。大大的簡化了上位機和下位機通信驅(qū)動的開發(fā)編程，同時也提高了通信的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

圖9 顯示界面設(shè)計

3.4.2 SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器
選擇了采用客戶機/服務(wù)器計算機模型的SQL Server作為后臺關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。根據(jù)需要建立了用戶注冊信息表、歷史數(shù)據(jù)表、歷史報警數(shù)據(jù)表、歷史事件數(shù)據(jù)表、日志表、用戶登陸信息表等。通過VB的ADO對象能夠方便的對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)和歷史報警和事件的記錄、歸檔和查詢。
3.4.3 界面元素設(shè)計
在成功建立通信和數(shù)據(jù)鏈路后，要將數(shù)據(jù)動態(tài)直觀的在計算機屏幕顯示出來。VB的良好的界面設(shè)計能力，能夠?qū)崿F(xiàn)各種WINDOWS元素的顯示。本系統(tǒng)還使用了第三方設(shè)計的動態(tài)顯示控件組（世紀(jì)飛揚），對實時曲線，歷史曲線，動態(tài)指示燈、按鈕、棒圖等對象做了很好的處理，簡單的數(shù)據(jù)連接即能實現(xiàn)美觀的效果，大大的方便了設(shè)計。

4．結(jié)論
隨著能源的相對緊缺，變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用對于大功率的電機設(shè)備逐漸實現(xiàn)了變頻改造。此外，由于計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的不斷發(fā)展,潛移默化的改變著人們的學(xué)習(xí)、生活和工作等方式。對基于現(xiàn)場總線控制和遠(yuǎn)程、無線控制技術(shù)也將不斷推廣應(yīng)用于各個行業(yè)。如對上述系統(tǒng)將IPC通過互連網(wǎng)絡(luò)或PLC端加置無線通信（如GPRS）模塊連接到自來水水總公司便可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理（包括遠(yuǎn)程智能監(jiān)測和控制、遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)等）、實現(xiàn)無人值班守泵站建設(shè)。

參考文獻(xiàn)
[1] SINAMICS G150 Operating Instructions. Siemens A&G, Edition 06/03
[2] SIMATIC STEP7編程手冊. 西門子自動化與驅(qū)動集團(tuán)
[3] 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南. 西門子自動化與驅(qū)動集團(tuán),機械工業(yè)出版社