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1概述
高层建筑需要二次加压供水才能满足日常用水的要
求。现阶段我国二次加压泵站常用的供水方式有水泵直流变频调速变压变流供水、水泵全速节流供水、水泵变频调速变压变流供水和水泵变频调速恒压变流供水等方式[1]。二次供水设备主要由控制器、水泵机组、压力传感器、稳流罐等组成，基本原理是检测用户用水量变化引起的压力变化，控制器根据反馈的压力变化状况改变电机运行速度，调节运行工况使水泵机组出口干管的压力值恒定，以满足用户对自来水流量的要求。目前正在使用的控制系统存在水压调节能力不足和能耗水平较高的问题[2]。随着高层建筑数量和高度的增加，对于二次加压供水设备数量和性能的需求仍在扩大。因此，利用
先进技术，发挥控制器和变频器优势，对能耗低、紧凑可靠、可远程维护的恒压供水系统进行研究，具有重要的实际意义。
目前，常用的控制方案是使用PLC 作为控制器采集管网进水口和供水出口的压力，使用PID 控制算法向其控制的变频器发送频率指令调节水泵的转速，以保持出水口压力的恒定。使用Modbus RTU 网络
和变频器的多泵控制功能，设计一种变频恒压供水自动控制系统，相较于PLC 的PID 控制方式有更好的供水效果和更低的能耗。
2变频恒压供水系统的组成
为了节约占地面积和降低水质被污染的风险，变频
恒压供水系统多采用无负压供水的方式。这种方式的取水口直接与自来水管网连接，使用补偿装置以及负压抑制装置，对自来水的供水水压和供水流量进行自动调节，从而确保加压水泵出口管路压力的稳定性。水泵直联变频调速变压变流供水方式不会产生额外的水力损耗，供水管网的残余压力可以得到叠加利用，能提高能量的利用效率，降低设备运行的能耗。通常将二次供水系统按照高层建筑高度划分为低压区、中压区、高压区
和超高压区等不同的压力范围，如图1所示。
3变频恒压供水控制系统优化设计
如图2所示，一台PLC 控制3台变频器驱动的水
泵机组，每台机组可以设置不同的供水压力，就可以完成对整栋建筑供水。实时将压力传感器获得的
管网压力值转换为4-20mA 的电流信号直接送给变频器的模拟量通道，使用其内置的PID 算法完成对水泵机组的控制，相较于使用PLC 采集管网进水口和供水出口的压力，使用PID 控制算法向其控制的变频器发送频率指令来保持出水口压力恒定的方式，具有更快的调节速度和可靠基金项目：国家职业教育智能控制技术专业教学资源库建设项目(2018-12)；苏州市职业大学校级课题阶段成果(SZDYKC-200702,SZDJG-21020,G2020001007)；江苏省现代教育技术研究课题(2018-R-62346)。作者简介：淮文军(1979-)，男，讲师，硕士，研究方向：工业自动控制和工控系统信息安全。
基于S7-200Smart 和V20的恒压供水系统优化设计
淮文军1，许晓伟2，吴伟伟1，王以勇1，朱思雨1
（1.苏州市职业大学，江苏苏州215104；2.江苏亨通工控安全研究院有限公司，江苏苏州215000）
摘
要：以变频器为控制核心，通过压力传感器把取水出口压力值转换成电流信号，输入变频器的模拟量输入通道与设定值进行比较，结合多泵控制功能，将得到的偏差值直接控制水泵机组的出力，达到恒压供水的目的。PLC 将运行数据通过工业以太网端口传送到上位管理平台，用于远程监控。测试结果表明相同的用水负荷下，采用变频器控制比传统的PLC 控制具有更好的稳定性和经济性。关键词：恒压供水；PLC 控制；变频器；多泵控制
图1高层建筑物恒压供水系统示意图
市政自来水
供水泵房
变频恒压供水系统(高压)
变频恒压供水系统(中压)变频恒压供水系统(低压)
高
压区
中压区
低压区
常压区
高层建筑物
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图5恒压控制系统原理框图
性。优化后,PLC 完成不同压力区水泵机组的运行数据采集、系统运行状态监控、故障处理和上位管理系统通信。PLC 和变频器使用高效可靠的Modbus 总线完成数据交换。PLC 通过自身的工业以太网端口接入上位管理平台，可以实时向上位监控管理平台传输系统运行数据，也能接受远程控制。通过二次供水设备的数据远传，系统运行数据能通过交换机传输到供水企业管理平台，使设备的故障、爆管情况能够实时被发现，避免安全事故发生，减少用户停水时间，保障高层供水安全。交换机和防火墙的设置可以通过安全隔离和访问认证的措施增加网络安全性[3]
。
4控制系统主电路设计
控制系统由西门子S7-200SMART AC/DC/RLY 型
PLC SR20、V20变频器、Smart 1000IE V3触摸屏、压力变送器和水泵机组等组成。PLC 通过Modbus RTU 协议建立与变频器的通信，用电缆将S7-200SMART 的3和8端子分别与V20的RS485接口的P+和N-相连[4]。考虑到高层建筑用水量分布不均匀和水量变化范围大的特点，结合能耗、噪声因素，水泵机组由主泵、辅泵和备用泵组成，使用变频器的多泵控制功能按需调配，变频器通过PID 控制算法获得误差值来确定投运水泵的数量和工作方式。具体地，通过变频器的数字量输出端DO1-DO3控制继电器KP1、KP2和KP3的线圈，设置两组接触器KD 和KM 用来切换水泵电动机M1、M2和M3的变频器运行和工频运行方式。系统主电路图如图
3所示,QA 是低压断路器,KM1、KM2、KM3、KM4为控制电机以变频方式运行的接触器,KD1、KD2、KD3是控制水泵电机以工频运行的接触器,FR1、FR2和FR3是热继电器。使用变频器AP 参数组优化电机启停过程，以斜坡速度启动和停止，通过软泵切换尽量减少对管道的冲击[5]
。在PLC 控制逻辑中，当电动机在变
频运行和工频运行两个模式进行切换时,KM2和KD1,KM3和KD2,KM4和KD3均须互锁，避免两路供电电
源同时对电动机供电发生危险，接线如图4所示。
5系统组态及参数设置
(1)项目基本组态。使用西门子Step7Micro/Win
软件对S7-200SMART 进行组态和编程。在项目的“系统块”对话框的“通信”节点中组态以太网端口、背景时间和RS485端口。设置IP 地址为192.168.1.3，子网掩码255.255.255.0，默认网关为192.168.1.1；每个循环周期的背景通信时间占40%;RS485端口地址为2，波特率为9.6Kbps。HMI 的IP 地址为192.168.1.4。3台V20变频器的Modbus 通信地址分别设置为3、4和5。
(2)PID 控制参数设置。单台变频器的控制逻辑如
图5所示，以供水管网出水口检测的压力作为反馈信
号，通过压力传感器和变送器将压力信号转化为4-20mA 的标准模拟量信号送到变频器AI1输入端子，经PID 运算输出偏差值控制水泵转速，调节系统供水量,
变频器恒压供水
使系统的供水管网压力保持在设定压力。
图2变频恒压供水系统结构示意图
图3控制系统主电路设计
图4控制系统控制逻辑设计
Intranet 内网监控平台防火墙交换机
进口压力信号末端压力信号1
PLC 控制器
触摸屏报警信号
变频器1变频器2末端压力信号2变频器3
水泵机组1
水泵机组2
末端压力信号3
水泵机组3
电源进线KM1QA
变频器
DO1DO2DO3COM KP1KP2KP3
KM2
KD1
FR1KM3
KD2FR2
KM4
KD3FR3
M1
M2M3
KP2KP1
KP3KD3KD2KD1KD2KD1KD3
KD3KD2KM1KD3KD1KM2KD1KD2KM3
KM1
KM1
KM2KM3KM3
KM2
KD1KD1KD2
KD2KD3
KD2设定压力值SP
差值E
PID 控制器-
反馈压力值PV
AD 转换
变频器
转矩
水泵电机
压力传感器
扰动
-用水点
管网实测压力值P(n)
(下转第51页)
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PID 控制功能需要在变频器中配置相应的参数[6]，具体如下：设置P2200=1，激活PID 功能;P2253=2018.1,PID 设定值来源于Modbus PZD2;P2264=755.0,PID 反馈信号是AI1；比例增益P2280=0.5；积分时间P2285=15;P2274=0，关闭微分时间;P0756.0=2，反馈信号为电流信号;P0757.0=0，标定X1值=
4mA;P0758.0=0.0，标定Y1值=0%;P0759.0=20，标定X2值=20mA;P0760.0=100.0，标定Y2值=100%；模拟量输入死区P0761.0=4。
(3)变频器的驱动参数设置。对水泵机组的驱动参
数设置，起用了变频器的水泵控制参数组AP010。最小频率参数设置为15Hz，禁止主变频器低于15Hz 运行；控制方式参数P1300选择为7，使用平方V/F 控制；禁止负向频率设定，防止水泵反转；参数P1210设置为2，电源掉电后可再启动；斜坡上升时间P1120设置为10，从0上升到50Hz 需要10秒时间；斜坡下降时间P1121也设置为10。变频器的多泵控制功能需要设置参数P2370=1，使外部电机的停机方式为顺序停机;P2371=2，为加泵和减泵策略选择配置;P2372=1，使能电机循环运行保证3台设备的使用率比较均衡;P2373=
20.0，为PID 设定值的百分比来使能多泵控制滞环。(4)变频器的通信参数配置。通信参数配置的目的
是保证变频器和PLC 通过MODBUS RTU 协议通信。设置P0700[0]=5，选择RS485为命令源;P2023[0]=2，选择MODBUS RTU 协议;P2010[0]=6，波特率为9.6Kbps;P2021[0]=3,V20的MODBUS 地址为3，这里确保系统中每一台设备的MODBUS 地址不重复。寄
存器40100可传送控制字到PZD1中,40101传送主设定值到PZD2中。常用的控制字有047E 表示运行准备、047F 正转启动、0C7F 反转启动和04FE 故障确认等，可写入40100寄存器。要设定频率值50hz，只需要将4000H (16384)直接写40101即可。
6结语
根据当前高层建筑二次供水的需求设计了变频恒压
供水控制系统，采用S7-200SMART PLC 完成参数监控及数据通信任务,V20变频器使用内置的PID 功能对水泵机组进行多泵控制，完成对整栋建筑恒压供水。在吴中供水有限公司的二次供水项目中测试结果表明，与以PLC 执行内部PID 算法的控制方式相比较，该系统能满足高层建筑恒压供水的需求，且有更低的运行能耗，在
高层建筑恒压供水工程中具有较高的应用价值。参考文献
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[6]SIEMENS.SINAMICS V20变频器操作说明[S].2015.
由于在用户信息的数据表中把用户的ID 设置为了主键，通过调用数据库删除的方法删除该用户的ID 号就可实现对用户的删除效果。
5结语
提供一个可以让用户借用、预定、了解器材的平台,
实现了以下功能：用户信息管理、器材信息管理、器材租用、了解最新活动、查看器材教学视频和健康指导、在线预定器材、信息反馈等。项目的设计与实现是基于百宝箱基础之上的，目的在于方便用户租用、了解百宝箱中的健身器材，响应疫情期间“不出门少出门”的号召同时兼顾人们身体健康，可以尽量让人们在家享受到健身房的效果，尤其帮助那些喜欢健身但是没有器材的人们。参考文献
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(上接第46页)
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