西门子6ES7 214-1BG40-0XB0技术参数
1 引言
小区供水系统用于对小区内生活、消防和喷淋用水的自动供给，是住宅小区公用设施的重要组成部分。供水系统通过对水泵、阀门等设备的开、关和联锁来实现小区的正常供水，从而达到居民正常生活和人员、设备安全的目的。
我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善给水管网的供水环境，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速和多台水泵的投入和退出，使管网主干出口端保持在恒定的设定压力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在佳状态。
2 水泵变频调节原理
由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，有效的节能措施就是采用变频调速器来调节**、风量，应用变频器节电率为20％～50％，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。
根据水泵的相似定律，变速前后**、扬程、功率与转速之间的关系为：
式中P1、H1、Q1为转速N1的功率、扬程、**；P2、H2、Q2为转速N2的功率、扬程、**。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。
3 PID调节的基本原理
在工程实际中，应用为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到**的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
3.1 比例（P）控制
比例控制是一种简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
3.2 积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3.3 微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
4 变频恒压供水系统设计
传统的供水模式采用屋顶水箱和水泵联合供水，水质容易受到二次污染，供水不安全。在全自动恒压变频供水装置中直接**供水，卫生、安全、可靠，用户随时都能饮用新鲜水，避免了二次污染，且设备占地小、性能稳定、能耗低等优点。我们对运行环境进行了现场考察和反复研究，在可靠性、稳定性、方便性等方面做了大量工作，采用**、实用、可靠的PLC做控制，提出了基于和利时公司LM的控制方案。
变频恒压供水系统主要由两部分组成，机械系统和控制系统。机械系统主要由水泵、压力罐和管路组成。控制系统主要由可编程控制器（PLC）、变频器、智能压力表、继电器等组成。系统的结构图如图1所示：
图1系统结构图
该系统有6路数字量输入、6路AC220V数字量输出、1路4~20mA的变频器频率信号和1路4~20mA的压力信号，同时对外输出4~20mA的变频器频率信号，因此，本系统配置1个CPU模块LM3105、1个模拟量输入模块LM3310和1个模拟量输出模块LM3320。系统的I/O表如表1所示：
5 工艺流程控制
整个系统的控制对象是两台水泵，通过出口压力决定投入泵的数量、变工频切换和变频器的工作频率。PLC通过采集出口压力和变频器的当前频率对频率做反向的PID调节运算。PID参数的整定对于系统输出的稳定性、准确性和快速性起到至关重要的作用。PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法；二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。该系统采用的是工程整定方法中的一种临界比例法。临界比例度法是采用纯比例将系统投入自动，此时积分时间放大，微分时间放0。逐渐减小比例度，使系统刚刚出现等幅振荡，记下这时的比例度Pbc和振荡周期Tc， PID的比例度和积分时间P=2.2PbcT=0.85Tc。系统的控制流程图如图2所示：
图2控制流程图
6 PLC控制系统的优点
自动化供水系统选用和利时公司的小型一体化PLC取代了原系统继电器控制回路，减少了能源损耗，节省了人力资源，本系统有以下优点。
采集精度、分辨率高
和利时公司LM模拟量模块误差在0.5%以内，采用12位精度的数据寄存器。
采集速度快
和利时公司LM模拟量模块采集周期小于6毫秒。
可靠性高
本系统的控制核心是和利时公司LM，能够在恶劣的环境中长期、可靠、无故障地运行，接线简单，维护方便，隔离性好，抗腐蚀能力强，能够适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔（MTBF）大于15年。
功能强大
和利时公司LM的编程语言遵从IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。除了具有传统的指令表、梯形图和功能块图等编程功能外，还具有结构化文本和顺序功能图等编程功能。和利时公司的PLC系统提供了多种应用功能模块，包括各种通讯功能模块、可以具体到年月日和时刻的多种定时器和超长时间继电器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量
本系统的安装极其简单，软件系统的安装及使用也非常易懂。在维护性方面，系统的接线十分简洁，而主要设备的可靠性很高，维护性能好。
2 中央液态冷热源环境系统介绍
中央液态冷热源环境系统由能量采集系统、能量**系统和末端能量释放系统（包括生活热水系统）三部分组成。能量采集系统采用单井抽灌技术以地下水为介质，以水泵作为输送动力，将浅层中的热能采集后送入换热器，与来自能量**系统的循环水进行热交换，使循环水不断地获得热量。
能量**系统由蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀等组成，按热泵原理进行工作。蒸发器中的液态制冷剂吸收循环水中的热量后汽化，被电动压缩机吸入后加压，然后进入冷凝器与末端循环水进行热交换，释放出热量，同时制冷剂冷凝成液体，经膨胀阀节流降压后再次进入蒸发器，完成一次循环。
末端能量释放系统的循环水在冷凝器吸取热量后，经末端循环泵输送到风机盘管等散热设备对建筑物进行供暖或经换热器对自来水进行加热。加热后的自来水被作为生活热水输送到所需的地方。
上面是以冬季供暖过程讲述中央液态冷热源环境系统，夏季制冷过程是冬季供暖的逆过程。
3 设计方案
3.1 系统总体设计方案
根据中央液态冷热源环境系统分布分散的特点，利用目前**的网络通讯技术，实现对系统的远程监视。整个中央空调监视系统由本地监视系统和中央监视系统两部分组成。本地监视系统负责中央液态冷热源环境系统的就地监测；中央监视系统设置在公司总部，负责完成对分布全国各地的本地监视系统实时数据的采集、汇总及存储，并通过视频技术进行有效的现场数据展示，实现对多套中央液态冷热源环境系统的远程监视。
采用本地监视和远程中央监视相结合的方式，系统结构简单，运行稳定可靠；结合用户现场情况，通过Internet网络或电话拨号等多种方式建立远程连接，有效降低运营成本；功能强大的组态软件，可以灵活的满足用户的实际需求；系统维护简单、具有良好的可扩充性。系统总体结构如图1所示。
图1 空调监控系统结构图
3.2 本地监控系统设计方案
本地监视系统由本地监测站和数据采集PLC构成。现场数据的采集是采用和利时的 LM系列可编程序控制器（PLC），通过RS485串口与现场能量**器控制系统相连，实现数据的实时采集和上传。 LM系列可编程序控制器是杭州和利时自动化有限公司推出的新一代高性能PLC产品。该产品完全由和利时公司自主设计、自主开发，它充分融合了计算机技术、通信技术、电子技术和自动控制技术的新发展成果，全面吸收了众多自动化技术和应用专家多年来在PLC领域的技术精华。该产品在方案设计、硬件选择、软件功能、网络通讯、用户接口等方面充分考虑用户的使用习惯和应用现场的特点，是一款高性能高品质的PLC产品。通过触摸屏（TPC105-TC22H）以总线的方式分别读取各个 PLC控制站的数据，其结构示意图如图2所示。
图2 本地监控系统示意图
本地监测站采用MCGS人机界面（HMI），实现对中央液态冷热源环境系统的就地监视和系统管理，其主监控界面如图3所示。
图3 空调监控系统监控界面
3.3 远程监控系统设计方案
在本地监测站上通过OPC接口，将所监测到的数据传给OPC客户端，然后在客户端将所收到的数据通过打包成UDP格式，并通过因特网将软件包数据传送到中央监视系统，在中央控制系统接收到数据后再将打包的数据解释成本地站所读取的数据，从而达到中央控制系统与本地监控系统数据的实时性和一致性。
中央空调监视系统的数据传输方式主要有三种，即ADSL、Modem和企业专线宽带。选择哪种方式实现中央液态冷热源环境系统数据的上传，要根据用户现场的具体情况而定。总体原则是要充分利用用户现有的网络环境和上网条件，尽大可能地降低用户端的运行成本，保证系统的可靠稳定运行。
4 监控系统功能
4.1 中央监视系统功能
在公司总部建立中央监控室，以实现对现场系统的远程集中监视和管理。
中央监控室设HiRis(实时信息系统)服务器一台和若干监控计算机。HiRis服务器与企业局域网防火墙相连，采用公网IP地址，负责现场数据的接收和存储。监控计算机上运行和利时公司的HiRis实时信息系统软件，完成对整个系统的监视管理。
可以通过Web方式进行现场组态画面和实时数据的发布和展示，这样管理者在自己的办公室就可以通过IE浏览器进行现场运行情况的浏览。
4.2 本地监控软件的特点及功能
MCGS是人机界面（HMI），负责系统的在线监控、操作、控制、调试、维护。完成数据显示、数据分析和操作员操作三类功能，细分为以下几个方面：
（1）实时数据的收集处理和显示。由本地监控站收集和处理来自各现场控制站的实时数据，形成上层人机界面的实时数据库；可以在流程画面上以某种形式显示这些数据，也可用在趋势的跟踪记录、报警判断等功能中。
（2）图形显示。可通过多种途径切换到各个图形页面，在画面上可以显示各种各样的平面、立体图形，还可显示有人机交互功能的各种动态对象；能够实现会话操作，完成对现场生产设备的监控。
（3）报警监视。完成报警信息的收集处理；在报警画面上分类显示报警信息。如模拟量、开关量、硬件设备和系统运行状态等。
（4）历史数据管理和趋势查看。完成历史数据的收集处理；在趋势画面上显示点值的历史变化曲线或实时变化曲线，可以设置趋势组，每一副趋势画面可显示多条曲线，同时可以查看曲线上每一采样时刻的具体值。
