沈 進(jìn)，王亞剛，蔡杰杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

為了提高供水質(zhì)量，保證充足的水量供應(yīng)和穩(wěn)定的水壓，采用多臺(tái)水泵構(gòu)成恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合越來越多，如在居民樓小區(qū)、大型商場及酒店等地方。傳統(tǒng)的恒壓變頻供水系統(tǒng)大多是基于PLC技術(shù)，邏輯處理能力一般，編寫邏輯復(fù)雜的程序需要消耗大量的精力和時(shí)間，開發(fā)周期長?；赟edona平臺(tái)所需要的開發(fā)周期短、消耗的人力和物力較少，開發(fā)方便。部分功能在Sedona平臺(tái)上易實(shí)現(xiàn)，而在PLC平臺(tái)上卻難以實(shí)現(xiàn)，如日常管理、在線遠(yuǎn)程編程、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能［1－2］。

Sedona平臺(tái)是Honeywell旗下子公司Tridium在其優(yōu)秀的智能建筑管理系統(tǒng)Niagara［3］平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，特別針對(duì)嵌入式智能設(shè)備推出的開源軟件平臺(tái)。采用與Java類似的虛擬機(jī)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)與Java一樣的“一次編程，隨處運(yùn)行”的功能，大幅降低應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試的難度。

Sedona技術(shù)現(xiàn)在主要用于設(shè)備之間集中控制、分散管理，在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。設(shè)計(jì)此套系統(tǒng)是一個(gè)創(chuàng)新。需要重點(diǎn)解決的幾個(gè)問題是:選泵程序、加減泵程序、變頻工作模式切換到工頻工作模式程序和控制算法的實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)能保證高效、穩(wěn)定的供水，并且有多種輔助功能。

1 系統(tǒng)介紹

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由Sedona控制器30P、I/O設(shè)備、傳感器、變頻調(diào)速器、壓力變送器、交流接觸器等設(shè)備以及6臺(tái)有變頻和工頻工作方式的水泵組成。在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，壓力變送器與I/O設(shè)備相連，30P通過Modbus通信協(xié)議與I/O設(shè)備通信并采集到出水壓力的信號(hào)，將出水壓力與設(shè)定壓力經(jīng)過自動(dòng)控制運(yùn)算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定［4］。上位機(jī)采用組態(tài)屏，通過觸屏修改系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，并且屏幕上可以直觀的顯示主要運(yùn)行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具有多種自診斷功能，例如安裝過程中能顯示各主要設(shè)備是否與控制器接通，出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)報(bào)警并采取保護(hù)措施，可以做到無人值守，方便管理［5］。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

根據(jù)各自功能，硬件系統(tǒng)分為:信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)3大部分。信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)包括水位和水壓等檢測電路;控制機(jī)構(gòu)主要包括Sedona控制器30P、上位機(jī);執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括水泵和變頻器［6－7］。

主要用變頻器的輸出頻率和水壓來決定加減泵。變頻設(shè)定上限頻率50 Hz和下限頻率20 Hz。為避免干擾造成電機(jī)頻繁啟動(dòng)，每當(dāng)上升到上限頻率或者下降到下限頻率時(shí)，保持5 s，然后檢測水壓信號(hào)，若水壓不滿足系統(tǒng)要求則進(jìn)行加泵或者減泵。這樣做不僅能增強(qiáng)抗干擾能力，而且減少頻繁啟動(dòng)，保護(hù)電機(jī)。為減少工頻泵投入和退出時(shí)產(chǎn)生的沖擊，在加入工頻泵時(shí)，使變頻器從最低頻率開始運(yùn)行［8－9］，退出時(shí)使變頻器從最高頻率開始運(yùn)行。具體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

2.2.1 手動(dòng)運(yùn)行模式

選擇手動(dòng)工作方式時(shí)，按啟動(dòng)按鈕或停止按鈕，可以根據(jù)需要而分別啟動(dòng)各水泵。這種工作方式僅供檢修或者控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)使用。

2.2.2 自動(dòng)運(yùn)行模式

在自動(dòng)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢。判斷是否有水、進(jìn)水壓力、出水壓力和目標(biāo)壓力值。系統(tǒng)自檢時(shí)，進(jìn)水管無水時(shí)系統(tǒng)不啟動(dòng)并報(bào)警，進(jìn)水管有水時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。啟泵時(shí)，會(huì)選擇運(yùn)行時(shí)間最短的泵使其變頻交流器吸合，電機(jī)與變頻器連通，變頻器輸出頻率從20 Hz開始上升，此時(shí)壓力變送器檢測壓力信號(hào)反饋給30P，經(jīng)過自動(dòng)控制算法運(yùn)算后控制變頻器的頻率輸出。變頻器的輸出頻率轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2.3 水池水位檢測

在自動(dòng)供水的過程中，30P通過采集傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測水池水位，若水位低于設(shè)定的報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器發(fā)出缺水報(bào)警信號(hào);若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時(shí)，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號(hào);若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷水池給水管電動(dòng)閥門。

2.2.4 自動(dòng)啟動(dòng)

當(dāng)電源突然斷電，若無人值班，恢復(fù)供電后若系統(tǒng)無法啟動(dòng)會(huì)造成斷水，為此本系統(tǒng)設(shè)置了通電后自動(dòng)變頻啟動(dòng)方式。在電源恢復(fù)后，30P發(fā)出指令，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式變頻啟動(dòng)所選擇工作時(shí)間最少的泵。

2.2.5 多重保護(hù)功能

超壓保護(hù):設(shè)定一個(gè)壓力上限值，當(dāng)出水壓力達(dá)到管路超壓壓力并持續(xù)若干秒，系統(tǒng)執(zhí)行停機(jī)程序并發(fā)出報(bào)警。當(dāng)壓力低于超壓壓力并持續(xù)若干秒，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓變頻模式，報(bào)警自動(dòng)解除。

電機(jī)過載保護(hù):當(dāng)電機(jī)過載時(shí)觸發(fā)控制器顯示該電機(jī)過載并報(bào)警顯示。同時(shí)屏蔽該水泵，設(shè)備運(yùn)行時(shí)自動(dòng)越過該泵，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2.6 緊急工作模式

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須保證不間斷供水。當(dāng)變頻器突然發(fā)生故障，蜂鳴器報(bào)警，30P發(fā)出指令使當(dāng)前工作的變頻泵關(guān)掉，工頻工作的水泵保持狀態(tài)不變，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)出水壓力電接表的上下限觸發(fā)為準(zhǔn)來進(jìn)行切泵。若緊急模式持續(xù)了若干時(shí)間還沒恢復(fù)正常，監(jiān)控頁面會(huì)一直有報(bào)警存在，相關(guān)值班人員可以前來進(jìn)行維修。

2.2.7 水箱清空

系統(tǒng)每天設(shè)置2個(gè)獨(dú)立時(shí)段，啟動(dòng)水箱清空程序。在進(jìn)水壓力傳感器壓力高于下限的情況下，清空程序啟動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉水箱控制閥和管網(wǎng)直連閥，逐步把水箱的水用到低于水位下限后退出程序，直到下一時(shí)間點(diǎn)啟動(dòng)水箱清空程序。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 邏輯編程

系統(tǒng)的程序主要分為兩類:加泵程序和減泵程序。

3.1.1 加泵程序

加泵程序中包括選泵程序、啟泵程序、切泵時(shí)變頻器輸出頻率變化程序。第一次啟泵時(shí)，首先開啟待工作的水泵中工作時(shí)間累積最小的一個(gè)，使其處于變頻工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測出水壓力并采集到JACE600控制器里經(jīng)過自動(dòng)控制運(yùn)算，控制變頻器的輸出頻率，當(dāng)實(shí)際出水壓力小于設(shè)定目標(biāo)壓力時(shí)且輸出頻率加到50 Hz時(shí)，50 Hz保持5 s以上觸發(fā)一個(gè)true信號(hào)表示要加泵，此時(shí)選擇余下未開啟的水泵中工作時(shí)間最少的泵打開其工頻工作方式，同時(shí)讓變頻器的輸出頻率從20 Hz開始增加，然后輸出頻率交給自動(dòng)控制運(yùn)算決定，實(shí)現(xiàn)實(shí)際出水壓力連貫。依次類推，直至實(shí)際壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值。變頻泵的工作時(shí)間可以設(shè)定為一個(gè)定值，到期后關(guān)閉當(dāng)前工作的變頻泵選擇下一個(gè)工作時(shí)間最少的泵使其工作在變頻模式。

3.1.2 減泵程序

減泵程序包括選泵程序和變頻器輸出頻率變化程序。當(dāng)用戶用水量減少，實(shí)際出水壓力增大，當(dāng)實(shí)際出水壓力大于目標(biāo)壓力值時(shí)且輸出頻率減到20 Hz時(shí)，20 Hz保持5 s以上觸發(fā)一個(gè)減泵信號(hào)，此時(shí)將處于工頻工作狀態(tài)的工作時(shí)間最長的水泵。

3.1.3 自動(dòng)控制算法

該算法以設(shè)定壓力值和實(shí)際出水壓力值作為變量，思路是系統(tǒng)啟動(dòng)后讓實(shí)際壓力值能夠快速的接近甚至達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)實(shí)際壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定壓力值就讓變頻器的頻率變化快，由于流動(dòng)的水的一些特性，比如慣性，一直處于加速中的水壓即使變頻器的頻率不突變，水壓還會(huì)一直增加，因此需要在實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值在一定的范圍內(nèi)就開始逐漸減少變頻器頻率的變化值，避免了超調(diào)，當(dāng)實(shí)際壓力值達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)維持頻率不變。當(dāng)設(shè)定壓力值小于實(shí)際壓力值時(shí)，使實(shí)際壓力值達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)同樣要注意快速響應(yīng)、避免過度超調(diào)［10］。以上程序都是基于Sedona語言編寫的，水壓控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水壓控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件配置

3.2.1 控制器、I/O、變頻器的選擇

系統(tǒng)選取主控制器Sedona30P，以及與它配套的I/O設(shè)備，變頻器選擇的是施耐德ATV12，控制變頻器的輸出頻率由I/O設(shè)備模擬量輸出端輸出信號(hào)4－20MA控制，自動(dòng)控制運(yùn)算后的輸出頻率經(jīng)Modbus TCP Network輸入到30P的模擬輸入端，每個(gè)泵的變頻和工頻開關(guān)量通過Modbus TCP Network通信輸入到30P的開關(guān)量輸入端。

3.2.2 控制電路的設(shè)計(jì)

進(jìn)行控制電路的設(shè)計(jì)時(shí)，注意系統(tǒng)手動(dòng)/自動(dòng)切換，還有各個(gè)水泵的變頻接觸器和工頻接觸器在電氣上的連鎖，避免系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺(tái)水泵工頻和變頻電源同時(shí)接通變頻電源的現(xiàn)象。

3.2.3 系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)的界面包括運(yùn)行概覽，如圖3所示;壓力查詢，如圖4所示;系統(tǒng)設(shè)置，如圖5所示等主要信息。運(yùn)行概覽可以直觀的看出各個(gè)泵的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)際出水壓力、設(shè)定壓力、變頻器的輸出頻率及有無報(bào)警等參數(shù);實(shí)時(shí)曲線直觀的顯示出實(shí)際壓力與設(shè)定壓力每秒的關(guān)系;系統(tǒng)設(shè)置便于進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改，比如修改設(shè)定壓力、變頻器輸出變換時(shí)間、切泵延時(shí)時(shí)間等。系統(tǒng)界面由組態(tài)軟件做的，通過TCP Network與控制器30P進(jìn)行通訊。

圖3 運(yùn)行概覽

圖4 壓力查詢

圖5 系統(tǒng)設(shè)置

由實(shí)際壓力曲線和目標(biāo)壓力曲線的比較可知:無論增加水壓還是減少水壓、系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間短、響應(yīng)速度較快、超調(diào)量微小、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)多采用PLC或單片機(jī)作為控制器，不能較好地實(shí)現(xiàn)邏輯復(fù)雜的控制程序，開發(fā)周期長，消耗人力和物力大。該供水系統(tǒng)利用Sedona平臺(tái)采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，根據(jù)實(shí)際用水水壓的變化實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來加減泵，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能降耗。根據(jù)工作時(shí)間合理選擇工作泵大小，提高整個(gè)泵組的使用壽命。人機(jī)界面做在組態(tài)屏里，方便改變參數(shù)，整套系統(tǒng)經(jīng)過多種環(huán)境測試，運(yùn)行情況良好、性能優(yōu)越、操作簡單。

［1］ 方大壽，李紀(jì)扣.模糊－PI復(fù)合控制恒壓供水系統(tǒng)［J］.微小型計(jì)算機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，1996，(4):32－35.

［2］ 王興，齊向東，郭建國.智能供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2007，15(5):624－627.

［3］ 孫小權(quán)等.基于PLC的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2007，28(1):47－51.

［4］ 楊美芬.自動(dòng)恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.云南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)報(bào)，2005，14(3):260－264.

［5］ 肖進(jìn).基于Niagara的建筑智能化系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2011.

［6］ 吳再群.基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)［J］.電子科技，2013，26(6):80－81.

［7］ 姚福強(qiáng).基于PLC和變頻器串行通訊的變頻恒壓供水系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2004，(20):9－10.

［8］ 林俊贊.PLC在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電機(jī)電器技術(shù)，1999(3):45－48.

［9］ 尚志紅，劉斌.變頻調(diào)速恒壓供水的自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.信息科技，2007(10):56.

［10］譚遠(yuǎn)博，黃珊珊，雷紅玲.基于專家知識(shí)的恒壓供水控制算法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(15):178－180.