6ES7 215-1HG40-0XB0性能参数
随着人口的增长和经济的发展，吉林市自来水公司第三水厂在原有十万吨日供水能力的基础上，扩建至二十万吨，以适应吉林市未来十年或更长时间经济社会人口的发展水平。取水泵房原配备的355kW/10kV水泵4台以及供水泵房配备的560kW/10kV水泵3台，全部定速运行，由于日夜供水差异较大，需要调节阀门开度或倒开大小水泵。这样水泵频繁启停带来的冲击，会引起电机、水泵、阀门故障率增加，维修费用加大，同时对管网也有很大冲击。因此采用传统调节阀门开度控制**和压力的方式，必然会造成大量能源浪费。通过综合调研，我公司决定对新扩建部分采用利德华福生产的大功率变频器进行自来水**及出厂水的恒压控制，从而实现降低能耗、节约成本、**供水质量，达到自动化水厂的生产需求。
一、自来水生产工艺流程介绍
现将自来水厂水处理工艺流程简述如下：
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图1：自来水厂水处理工艺流程
首先要选好合适的水源和取水口，用管道输送至一级泵房（取水泵房）并在一级泵房前加氯以杀灭藻类、植物和贝类动物。再通过一级泵房将水送至厂内处理系统中。通常经过混合（在水源水中加入适量的氯化铝，俗称矾）、反应、沉淀、过滤、消毒等处理工艺，每一工艺配以相应的构筑物（如沉淀池、滤池、清水池等），滤后消毒一般是加氯和氨，投加了消毒剂的水经清水池、并在池内停留一小时左右就成为合格的饮用水，再经过二级泵房（供水泵房）加压输送到城市管网中，供生活饮用和生产使用。
二、高压变频器的应用方案
根据我公司在城市供水行业实际应用的成功经验，为确保供水系统的稳定性、安全性和经济性，供水泵560kW/10kV选用HARSVERT-A10/045带手动一拖二旁路的变频器。它采用直接“高-高”形式，单元串联多电平拓扑结构，每相由8个功率模块串联而成，经过多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，大大改善网侧的电流波形，实际测量后网侧电流近似为正弦波，不用更换原来的电机和电缆，完全适合旧设备的改造。取水泵355kW/10kV选用HARSVERT-A10/030原设计采用一拖一运行方式，经过半年多运行来看，取水开一台变频机组就能满足工况要求，另外考虑取水泵定期倒车只能开工频机组，所以我公司决定将原有一拖一运行方式改为一拖二运行方式，这样两台变频机组就可以交替运行，非常经济。
下面是一拖二手动旁路的基本原理（见图2），它是由六个高压隔离开关QS1-QS6组成。其中QS1和QS4,QS2和QS5有电气互锁；QS2和QS3,QS5和QS6安装机械互锁装置。
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图2：一拖二手动旁路柜原理图
如果两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS3和QS4、QS5分闸，QS1、QS2和QS6处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，QS1和QS2、QS6分闸，QS3、QS4和QS5处于合闸状态；如果检修变频器，QS3和QS6可以处于任一状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。
三、恒压供水系统原理
由于吉林市自来水公司第三水厂是新扩建工程，用水负荷需要在实际运行时进行**调整和测量，因此我厂采用的是恒压供水系统，其工作原理如图3所示,测量元件为德国E+H公司的压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水**如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。
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图3：恒压供水系统工作原理框图
(1)在PID控制中，比例增益P加大，会使系统的动作灵敏，速度加快，P偏大，振荡
次数加多，调节时间加长。当P太大时，系统会趋于不稳定。若P太小，又会使系统的动作缓慢；
(2)积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大，甚至引起振荡。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以**控制精度；
(3)微分D的作用主要是改善供水系统的动态性能。增大微分时间，有利于加快系统响应，使系统超调量减小，稳定性增加，但抑制外扰能力下降。所以微分时间常数应该在供水系统控制要求的前提下而随机改变。即在调节过程初期，应加大微分的作用，以减小超调；在调节过程中、后期，应不断减小微分时间，以增强系统的抗干扰能力，同时还可以缩短调节时间。
我厂变频器在运行初期，供水系统采用恒压闭环控制，运行中发现运行频率曲线呈锯齿波，上下波动幅度较大，因此对PID系数进行调整，将P由1改为0.01、I由4改为20。通过几次逐步调整，现运行曲线较为平缓，波动幅度相当小。变频器根据偏差相应调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持供水系统的恒压稳定状态。
四、变频器的运行情况：
三水厂取水泵采用开环运行方式，根据清水池水位手动调节频率，一般频率运行在38Hz-45Hz之间。
三水厂供水泵采用闭环运行方式，运行参数如下：
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通过测试发现变频器运行在37Hz及以下机泵不出水，所以我们把低频率限制在38Hz。在日常运行中，早上4点加开一台工频机组，当变频器频率达39Hz左右，关闭工频机组，只运行一台变频器；在下午16点用水高峰时，再加开工频机组。这样合理开关车既满足了出厂水压力，同时又节约了大量能源。
五、系统应用效果：
水泵电机采用高压变频器进行调速运行后，在有效的调速区段内运行十分平稳，与原来全部工频电机运行相比，由于变频器对电机实现了柔性启动，启动电流大大减小，对机组没有任何冲击，相应延长了设备的使用寿命，大大减轻了维护工作量，减少了维护成本。
变频器有效的水压闭环控制功能，使水压调节平滑可靠，转速无波动。电机与多功能阀门联动，只要给定频率，电机启动，多功能阀自动开启，使得开关机组变得简单。
变频器投入运行后，由于电网侧功率因数**到0.96以上，在各种负荷下，电网侧电流大大下降，电机的无功电流由变频器直接补偿。
节能方面，我厂进行了测试：在同种工况下，采用单台机组电度表分别计量的方式，单台机组节电率达32%，这么高的节电率加上合理开关机组，我厂每年将节电100万元。
三水厂取水、送水变频器正式投产以来至今，连续运行近两年，为水厂正常供水提供了强有利的保障。HARSVERT-A变频器具有免维护的特点，只需每个月更换柜门上的滤网。变频器的应用降低了系统对管路密封性能的破坏，延长了设备的使用，同时维护量减小很多，**了系统的自动化程度，节约了大量电能和水资源，切实响应了国家节能降耗的号召。
一 系统介绍：
确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气**等是空压站自动控制的基本任务。空压机设备自带的单片机控制器已经能很好的控制单台空压机，但不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，系统的整体联控具有更重要的意义。
联控系统主要的功能是可以实现空压机机组（包括每台空压机的后处理设备）的联锁控制，能根据总管压力和空压机的运行状态智能地加卸载对应的空压机等以保证管网的供气稳定。
联控有两种模式：时间顺序模式、固定顺序模式。两者的联控原理是一致的。只是时间顺序模式中各台空压机每隔一个轮换时间就按顺序时间判断一次，具体工作模式参考《顺序控制与通讯协议手册》，而固定模式的启动顺序是保持不变的。
空压机联控系统图：
工控机选用研华工控机，监控软件为组态王。对现场各类数据及系统设定参数进行实时显示，为系统报警和远程数据监控提供一个数据信息交互平台；对机组各类运行控制要求进行命令触发，为介入系统实时改变系统运行状态提供一个控制命令操作平台。
1#EC20PLC和2#EC20 PLC分别为两个空压机站的控制中心完成组态与单片机的数据交换和存储以及工控机各类控制信号处理。主要的自动控制任务都由PLC自行完成，组态只能选择具体的机组运行方式，以及特定状态下对单台机组的单一运行方式改变。各台空压机的信号通过RS485总线连接至PLC；
由于空压机自带的单片机控制器提供了RS485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，在原有的控制系统基础上，增加2台PLC，改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制与连网监控。
二 设备工艺
PLC控制部分是系统的核心部分：而供气压力是系统各种运行状态改变与保持的唯一指标。简言之：压力小于供气压力要求下限就要更多的供气机组运行以增加供气量，压力大于供气压力要求上限就要把当前运行供气机组减少以减少供气量。而处于上下限之间的压力值时就保持当前机组的运行状态不变。
就单台空压机而言，其可以自行进行供气量大小的调节。当一台机器运行时，它的供气量是一个从零到大气量之间浮动的值而不是一个额定输出的定值。所以在整个供气方案中我们用改变运行机组台数的方法来改变对管网的供气。每台机组有加载、满载、卸载、和停机四种状态。加载到满载之间，供气量的值是0到大值的过程；卸载是停止供气的状态但机组仍在运行；而停机是机组不供气也不运行。
一个正常的供气流程如下：
把确定在网机组数与机组中间运行状态结合起来就构成了控制思路的基本环节。即通过压力报警确定机组数目需要增加或减少，如果已经在中间状态了加载、满载、卸载任意一个，就按增气或减气的方向移动中间状态直到运行到边界状态；当到达边界状态时按增气或减气的方向移动到下一台。当然如要稳定下来必须是在中间状态，边界状态是不能稳定的。
三 控制程序
空压机联控系统主要是PLC与单片机交换数据并确定每台空压机的运行方式。
程序的编写主体上分两大部分：读数据部分和写数据部分，流程图如下，
（一）读取单片机的信息
根据空压机控制器内单片机的相关Modbus通讯协议，编写通讯“读信息指令”的数据帧，以PLC中的Modbus通讯指令发给控制器内的单片机，单片机响应后返回相应的数据帧。通过返回帧的相应字符串判断与控制器相连的空压机的各种故障状态工作状态以及空压机的各种压力温度数据，并将返回的各类数据存放在相应的数据寄存器。
在该子程序的开始部分，执行站地址加1的操作，即每进入读数据子程序就会读取上次读过的程序的下一台；靠站地址的不断变化我们实现了读取数据通讯的轮询操作。
Modbus指令只需要一次上升沿作为发送使能，周期sm124没有开合的状态变化即没有上升沿，所以周期过后靠sm1的常闭上升沿作为Modbus指令的发送使能。每次发送的同时靠发送使能的上升沿把sm135、sm136清位。sm135、sm136与通讯程序没有任何直接关系，只是贯穿程序所必须的标志位。
（二）向单片机中写入相关信息
整个写信息部分分下面三块：
a.逻辑判断运算部分
供气压力是系统各种运行状态改变与保持的唯一指标。压力小于供气压力要求下限就要更多的供气机组运行以增加供气量，压力大于供气压力要求上限就要把当前运行供气机组减少以减少供气量。而处于上下限之间的压力值时就保持当前机组的运行状态不变。
按照工艺控制逻辑来构成逻辑判断运算部分，并且机组按照先开后停的原则顺序启动（1、2、3←→3、2、1）。
为保证数据的正确性，需要判断读信息子程序的站地址与写信息程序将执行控制操作的站地址是否一致，然后需要判断相应的故障信息寄存器是否为0，为0证明无故障或轻故障，不为0则不向该站发任何控制指令并马上对下一台操作。
由于我们对故障进行了分类，所以可以根据不同类别的故障进行不同的控制操作：
1类故障不读不写（相应的故障信息寄存器为1）
2类故障只读不写（相应的故障信息寄存器为2）
没有故障纪录（相应的故障信息寄存器默认值为0）
对故障分类的控制策略是很有价值的，在以后的控制过程根据故障类别或者可以作为运行态的类别，进行有所区分的控制。不管是通讯控制方式还是数字I/O控制方式，相信都可以在某种程度上采用这类简便有效的方法。
b.数据帧结构部分
在这个部分里主要是发送数据帧的整体架构。
c.Modbus通讯指令发送部分
指令发送部分和读数据子程序类似，就不再多介绍了。
客户还要求机组顺序可以任意打乱，但是顺序号关联着整个控制流程又不能搭乱所以只能把机器号放到依照固定顺序排列的机器号寄存器里面去，打乱这些机器号寄存器里面存放着的机器号的顺序来实现机组顺序的任意性。主程序中加入了判断机组信息的部分，还是判断故障信息寄存器内的值，先根据这些值判断出有多少台机组在网，然后根据故障信息寄存器内的值判断哪台机组退网，退网的机组编号放在网内后一台机组机器号寄存器的后面机器号寄存器里面。进网的时候只需改写故障信息寄存器，相应的在网机组台数可自行判断出来。这样进网退网的顺序就变成了先退**。