艾默生TD2100供水变频器在自来水厂集中监控系统中的应用

 

一、引言

　　艾默生网络能源有限公司基于动力环境集中监控系统（PSMS）的能源一体化解决方案，正在朝着集成化、模块化方向发展。艾默生公司TD2100供水变频器做为智能设备接入到PSMS集中监控系统中,便于集中管理,综合控制，以及故障告警的及时有效处理。充分利用艾默生TD2100供水变频器强大的通信联网功能，逐步实现供水泵站的少人或无人值守，已成为供水系统实现供水压力集中监控的一个*的部分，也是艾默生网络能源有限公司一体化柔性解决方案的一种具体体现。

　　随着高层建筑逐年增加，传统的采用水箱或水塔供水方式已经不能满足现代供水行业的要求。日常的生活用水经常是随时间而变化的，因季节、昼夜相差很大，用水和供水的不平衡集中表现在水压上，如果用水多而供水少则水压低，造成用水不便；用水少而供水多则水压高，造成能源的浪费。如何能够根据管网压力的变化进行智能化和数字化的调节和控制，以保障供水系统的响应速度和供水质量，达到供、用水的平衡是关键。

　　艾默生公司的TD2100变频器是集变频和智能供水控制于一体的恒压供水变频器。它用恰当的水泵电控方案来取代小区住宅和商业大厦楼顶水箱或水塔,实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是目前较*、合理的节能型供水系统。采用以小区或社区为统一整体的供水方案，会使设备的利用率及节能比例大大提高，并减少初始投资和占地面积。TD2100供水变频器以其环保、节能和供水质量高等优点在供水行业中得到了广泛的应用，其中，武汉市二次供水公司小区供水压力集中监控系统就是一个典型的应用。

　　二、TD2100供水变频器在武汉二次供水PSMS集中监控系统的组网方案

　　根据武汉市二次供水公司的技术要求，PSMS集中监控系统设计规模如下：

　　● 武汉市二次供水公司设立监控中心，并设置监控主机；

　　● 监控中心目前监控3个小区供水站，分别为汉口2个、武昌1个；

　　按照监控系统技术要求和传输资源情况，确定采用目前常用的公共网PSTN（Public Switched ephone Network）做为传输资源。通过PSTN拨号MODEM轮询的方式，将监控信息通过MOXA多串口卡接入监控主机。在变频器分布区域较广，且需要集中监视和控制，但布线较困难，而有备用线使用时，这是一种理想的解决方案。利用PSMS集中监控系统，可实现对各供水站内的TD2100供水变频器等智能设备的联网控制。实时监视各供水站中智能变频器的运行参数，包括输出电压、输出电流、输出频率、输出转矩、管网压力反馈值等重要参数；并能实现对变频器的参数修改，功能控制；当供水系统或变频器发生故障时，通过MODEM自动拨号功能，自动启动预先设定的和信息，及时通知设备维护人员进行相应处理，可以方便地实现供水站的无人值守。

　　艾默生TD2100供水变频器做为一种智能设备接入到PSMS集中监控系统中，其组网方式如下图所示：

 

在各供水站的SDA-1采集器是由SDA-IO和SDA-OCE两部分组成，有内置MODEM卡。SDA-1采集器除了通过SDA-IO监测10路AI/DI及3路DO以外，还能够通过SDA-OCE实时地采集底端TD2100智能变频器的运行数据，并按照邮电总局规定的协议（YDN23协议）和数据规范与PSMS集中监控中心进行通信。

　　该组网方案具有以下几个显著优点：

　　1. 系统组网简单，简化了布线，降低了安装和维护成本。

　　2. 造价低，组网灵活，易于扩充，公共网PSTN拨号、专线方式可选。

 

3. 利用MOXA多串口扩展卡来扩展计算机串口，可以根据实际需要的串口数量来灵活扩充串口板的数量，一台监控主机zui多可扩展到4块PCI卡共128个串口，能够满足绝大多数的需要。

　　4. MOXA C320系列智能型多串口卡带有2个CPU，大大提升了数据的传输速率。

　　5. MOXA多串口扩展卡的模块化构造，使系统升级扩容等对串口扩展灵活。而且各模块、各串口之间是“相对独立”的，即便一个串口损坏也不会影响到其他串口，导致其他串口都不可用，避免了“滚雪球”效应。

　　6. 注意MODEM需要成对使用；且常将位于监控中心的MODEM设置为自动应答方式（ATS0≠0），而端局供水站侧的MODEM应设置为上电自动拨号且掉线自动重拨。

　　三、TD2100供水变频器的通信协议格式

　　艾默生TD2100供水变频器带有标准的RS485通信接口：异步，半双工。在通信过程中，一般是变频器做为从机，而PC机（监控主机）做为主机。 采用主机“轮询”，从机“应答”的点对点通信方式。

　　3.1 协议帧格式

　　艾默生TD2100供水变频器采用不定长ASCII码通信协议。数据格式如下图所示：

 

　其中，校验位可以是无校验（NONE）、奇校验（ODD）或偶校验（EVEN），相应地也就有三种数据格式。数据在串行异步通信过程中，是以数据包的形式，一帧一帧发送的。异步传输帧结构如下图所示：

 

在异步传输帧结构中帧头为～（7EH）；帧尾为0DH；从机地址（变频器地址）的设定范围为0～126，7FH（127）为广播通信地址，各变频器从机收到广播地址时不必应答，但所有从机都要响应该命令；命令区/响应区是指主机发生的命令和从机对命令的应答；索引区是对命令区所发命令的进一步解释和补充，例如：同样是变频器停机命令，是正常停机、自由停机还是紧急停机，就要在索引区加以区别；数据区则代表了变频器的设定频率、运行频率、输出电压、输出电流、当前压力值等参数值；校验和是指从“从机地址”到数据区“运行数据”的全部字节转换为ASCII码的连续累加和；称该协议为不定长ASCII码通信协议，是因为在串行通信传输的单个异步串行帧长度zui长为18字节，而有些控制命令仅为14字节长，例如：1#变频器的开机命令格式为：7E0102000001830D，就只有14个字节。在发送过程中，帧头（7EH）和帧尾（0DH）直接以十六进制发送，中间字节要先转换成ASCII码，再按先高位后低位的顺序发送。

　　3.2 通信参数的设置

　　艾默生TD2100供水变频器的主要通信参数设定，如下表所示：

四、武汉市自来水公司TD2100恒压供水系统的基本功能

　　4.1 TD2100供水变频器的功能及特点

　　艾默生TD2100供水变频器是集供水控制和供水管理一体化的智能变频器。内置供水PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可以使用变频器的键盘在本地设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的变化。TD2100供水变频器的主要功能有：

　　• TD2100供水变频器=PLC+变频嚣+PID调节器 

　　• 全面供水解决方案，灵活配置常规泵、消防泵、休眠泵、排污泵，便于实现水泵房全面自动化 

　　• 循环泵方式：4台 固定泵方式：7台变频泵固定方式zui多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”（适用泵容量不用场合）2种水泵关闭顺序。变频泵循环方式zui多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。

 

• 用户—设置功能，可实现周末节假日等 

　　• 6段特定日供水压力控制 

　　• 消防输入和控制功能，即使变频器故障时，仍能自动启动消防泵 

　　• 内置进水池、污水池水位检测电路和逻辑控制电路，无须外加水位开关 

　　• 管网超/欠压、火警/水池缺水等多种输入与检测保护，可保障供水系统安全

　　• 故障自动拨号功能，方便实现泵房无人职守运行

　　4.2 TD2100供水变频器运行状态实时监测及控制

　　PSMS集中监控系统能够完成对端局变频器及环境的实时遥测（YC）、遥信（YX）、遥控（YK）和遥调（YT）的“四遥”功能，实时监视所有变频器的运行状态，监视供水站的环境状况，记录和分析相关监控数据，达到对各地市供水站及环境的实时集中监控。下图是在武汉市监控中心的监控主机上显示的万松园供水站TD2100供水变频器的实时运行界面。

 

监控中心是整个PSMS集中监控系统的管理中心，主要完成全网的监控信息的统计处理及分析。监控中心主要由监控主机、服务器、打印机及相关附属设备所组成。监控主机是监控中心的系统监控平台，主要负责所属被监控供水站的监控设备的数据收集、分析、统计整理功能，监控主机同时具有历史数据保存和基本的告警功能。监控主机软件主要包括四个功能模块：监控模块、报表模块、管理模块及告警模块。监控模块指位于各个供水站的采集设备，主要完成变频器、智能电量表、压力反馈信号等监控对象的数据采集和控制，直接与监控对象相连接；报表模块完成基本的供水站监控信息的查询、统计、及打印功能；管理模块主要完成人员管理和系统配置管理；告警模块主要完成系统的告警管理功能；。

　　实时监视功能

　　主要是TD2100变频器从机运行参数的实时监视，包括输出电压，输出电流，输出频率，输出转矩，实时压力反馈值等重要参数。

　　实时采集供水站设备的监控信息，并送往监控主机；

　　实时接受和执行来自监控主机的监测和控制命令；

　　对被监控智能设备（主要包括TD2100智能变频器、智能电表），以串行接口的方式收集告警信息和发送监测和控制命令。

　　参数设置和控制功能

　　主要是通过监控主机远程对各供水站的TD2100变频器进行参数设置和控制。在监控中心实现对端局供水站变频器的开机、停机、故障复位、自由停车、紧急停车、设置当前运行频率给定、设置当前运行压力指令等。

　　报表功能

　　监控主机对实时数据和历史数据提供报表功能，主要功能包括：

　　显示及打印当前TD2100变频器的运行数据；

　　显示及打印所的某一关键信号量的曲线；

　　显示及打印TD2100变频器的统计数据；

　　显示及打印某一时间段的操作记录。

　　管理功能

　　管理功能主要包括系统设置和人员权限管理两部分。系统设置主要用于对监控主机工作参数的设置。人员权限管理主要是针对不同的工作人员分配不同等级的管理权限，包括系统管理权限，控制权限及操作权限。

　　软件系统的设计对系统管理和维护人员进行多级权限分类以区分限制各级别用户对系统的访问和操作能力，保证系统操作的安全性；

　　数据存储管理功能

　　PSMS集中监控系统对采集的TD2100变频器实时数据根据系统的需要进行存储管理，主要包括：

　　关键数据定时存储机制；

　　告警信息的存储；

　　用户操作记录的存储等；

　　故障告警处理功能

　　在PSMS监控维护中心，监控系统能及时检测和报告各供水站TD2100变频器的异常情况。当变频器出现故障时，系统能够自动提示告警。通过声、光和醒目的告警提示窗口等多种手段及时反映告警信息，并能通过MODEM自动预先设定好的或，方便调度人员报各部门及时处理。

监控系统为用户对系统所做的管理和维护操作进行跟踪记录，为系统日后出现运行事故提供辅助分析功能以追究相关的事故责任。同时系统进行在线运行状态诊断和监测，能及时发现系统各功能单元故障情况，便于系统故障的维护处理；

　　五、结束语

　　武汉市自来水厂在采用了艾默生TD2100供水变频器进行变频恒压供水控制后,取得了十分明显的节能效果。首先,在设计、施工中*取代了高位水箱、水池、水塔供水等传统的供水方式，消除了水质的二次污染；其次，该厂的供水调峰能力明显提高，不仅对一天内的中午和晚上的生活用水高峰，而且对由于天气情况引起的绿化用水高峰和时间不确定的基建用水高峰，都能正确自动调节，消除了主管网压力波动，提高了供水质量；第三，大大降低了开泵、切泵和停泵的次数，减少了对设备的冲击，延长了设备的使用寿命；第四，艾默生TD2100供水变频器做为一种智能设备接入到PSMS集中监控系统中, 实现了对变频器运行状态的实时监测、告警信息的实时上报，以及对被控制对象的运行参数设置和远程控制。总之，利用艾默生TD2100供水变频器的远程通信组网功能，逐步实现供水泵站的少人或无人值守，已成为供水系统实现供水压力集中监控的一种发展趋势。

 

主要参考文献：

　　[1] TD2100系列供水变频器 用户手册；

　　[2] TD2100系列供水变频器 技术手册；

　　[3] 武汉二次供水监控系统技术建议书；

　　[4] 艾默生TD2100供水变频器串行接口通讯协议（V1.30）；

艾默生网络能源有限公司监控开发部