趙孝武

摘 要 管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)是一個(gè)包含了水泵機(jī)組、控制單元、降壓保護(hù)裝置以及管路系統(tǒng)等功能模塊的綜合控制系統(tǒng)，提升管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)對(duì)于降低能源消耗、提升二次供水系統(tǒng)的效率以及降低對(duì)環(huán)境的污染等有至關(guān)重要的作用。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)供水控制系統(tǒng)的基本原理和功能特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，并重點(diǎn)針對(duì)控制方案和硬件設(shè)備、控制系統(tǒng)的組成和程序設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面探究了管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，希望對(duì)我國(guó)供水系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供一定的理論支持。

關(guān)鍵詞 管網(wǎng)；疊壓供水系統(tǒng)；智能化；PLC；供水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) F3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）08-0057-02

水資源是人類生產(chǎn)和生活賴以繼續(xù)的根本，在當(dāng)今城市工業(yè)和生活用水日益緊缺的嚴(yán)峻形勢(shì)下，提升水資源的利用效率，同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的污染是當(dāng)前政府能源規(guī)劃部門(mén)和水利公司關(guān)心的焦點(diǎn)問(wèn)題，另外，作為城市規(guī)劃中的重要影響因素之一，水資源的管理和分配也成為城市發(fā)展布局中的重要元素，應(yīng)該引起全社會(huì)的共同關(guān)注。管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)的基本原理就是在城市供水管網(wǎng)壓力允許的情況下，取消現(xiàn)有的水池和高位水箱，疊加市政供水的剩余壓力，并直接從供水網(wǎng)管中取水加壓。該供水系統(tǒng)可以加強(qiáng)對(duì)供水剩余壓力的利用效率，從而在降低能耗的同時(shí)減少環(huán)境污染，并實(shí)現(xiàn)供水控制系統(tǒng)的智能化和高效化。但是該技術(shù)系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展時(shí)間較短，目前全國(guó)各地還沒(méi)有形成統(tǒng)一的工作規(guī)范和基本的工作制度，且沒(méi)有形成良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，這些都是今后市政供水系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)內(nèi)容。

1 管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)的組成和工作原理分析

1.1 系統(tǒng)組成

管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)是在變頻調(diào)速供水的工作方式上發(fā)展起來(lái)的，因?yàn)槠浏B加了市政管網(wǎng)供水系統(tǒng)的剩余壓力，故而得名。疊壓供水系統(tǒng)由于去掉了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)中的高位水箱和水池，因而避免了二次供水造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，同時(shí)還節(jié)省了大量的內(nèi)部空間，因而具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。從基本構(gòu)成上來(lái)看，疊壓供水系統(tǒng)主要由壓力傳感器、數(shù)控柜、穩(wěn)流罐、變頻泵、壓力傳感器以及止回閥、負(fù)壓補(bǔ)償器和支架等部分構(gòu)成，其組成流程圖1。

1.2 控制原理

由于疊壓供水系統(tǒng)采用的是恒壓變頻控制系統(tǒng)，因此其變頻控制算法采用的是PID算法。PID控制系統(tǒng)以其操作簡(jiǎn)單、算法簡(jiǎn)便、系統(tǒng)功能完備以及適應(yīng)性好的特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并成為自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展歷史最長(zhǎng)、應(yīng)用范圍最廣以及好評(píng)度最高的自動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，PID控制系統(tǒng)只需要利用簡(jiǎn)單的硬件和軟件系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)基本的工業(yè)生產(chǎn)需求，因而是眾多工業(yè)領(lǐng)域尤其是自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)之一。另外為了更好地滿足設(shè)計(jì)需求，并保證恒定的工業(yè)和生活用水壓力值，本文中采用帶有PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊的變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的供水控制需求，從而保證供水工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

PID控制調(diào)節(jié)器的基本工作原理如下：通過(guò)給定的壓力輸入值r（t）和輸出值y（t）之間的差值e（t），然后通過(guò)一系列的微分、積分和比例運(yùn)算再通過(guò)線性擬合和線性組合求出系統(tǒng)的控制量u（t），最后通過(guò)控制量調(diào)解輸出值，將目的偏差函數(shù)e（t）調(diào)節(jié)成零，使得輸入值和輸出值之間達(dá)到理想的平衡，繼而達(dá)到穩(wěn)定輸出的最終效果。自從信息技術(shù)和數(shù)字技術(shù)進(jìn)入到自動(dòng)控制系統(tǒng)以來(lái)，微處理器技術(shù)就逐漸代替了模擬處理技術(shù)，同時(shí)微處理器技術(shù)也成為PID控制系統(tǒng)中的基本控制技術(shù)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，PID控制算法是通過(guò)對(duì)下式進(jìn)行離散化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

式中：KP為比例常數(shù)；Tl為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

2 控制方案和硬件系統(tǒng)的選擇

本文中設(shè)計(jì)的主要原則和基本思路是通過(guò)控制單元讓變頻器控制多臺(tái)水泵同時(shí)工作，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了輸出水壓的恒定、水泵系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和供水頻率的調(diào)節(jié)，因此具有穩(wěn)定、安全和控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。因此選用PLC+變頻器+上位機(jī)+水泵系統(tǒng)+壓力傳感器的工作模式即可滿足基本的工作需求。同時(shí)系統(tǒng)還提供了完備的信息交互和自動(dòng)控制功能，當(dāng)出水口壓力發(fā)生變化時(shí)可以第一時(shí)間通過(guò)控制系統(tǒng)的及時(shí)反饋調(diào)節(jié)工作模式，并對(duì)變頻器和水泵的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證穩(wěn)定的供水輸出。

2.1 可編程PLC設(shè)備的選取

可編程的PLC系統(tǒng)是整個(gè)疊壓供水系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，并起到了關(guān)鍵的控制中樞的作用，因而在PLC設(shè)備的選取過(guò)程中應(yīng)該盡量保證系統(tǒng)的合理性和適應(yīng)性，保證供水控制工作的順利進(jìn)行。同時(shí)大部分的PLC設(shè)備都有可編程功能，將控制系統(tǒng)運(yùn)行的程序放在系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器中，并利用基本程序完成邏輯控制，保證整個(gè)控制系統(tǒng)的順利進(jìn)行。通常來(lái)說(shuō)PLC設(shè)備具有控制簡(jiǎn)單、可靠性高、通用性強(qiáng)和功能相對(duì)完善的典型特征，可以滿足基本的供水系統(tǒng)工作需求。目前市面上的可編程PLC設(shè)備有上百種之多，他們型號(hào)各異，功能特征也不近相同，如西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200PLC設(shè)備具有可靠性高、硬件穩(wěn)定性好、體積小以及性價(jià)比高的特點(diǎn)，是目前我國(guó)各地區(qū)自來(lái)水供水企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的主要應(yīng)用型號(hào)之一。另外，在選用了西門(mén)子公司的S7-200型PLC設(shè)備之后，再綜合比較各型號(hào)的CPU的功能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)CPU226具有邏輯運(yùn)算速度高、穩(wěn)定性好等特征，可完美地進(jìn)行邏輯判斷、處理存儲(chǔ)和處理、子程序的調(diào)用以及中斷操作，故此在本文中采用該型號(hào)的CPU進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建。

2.2 變頻器的選型

對(duì)于用水需求較為普通的用戶，對(duì)于水泵機(jī)組的功率和負(fù)載要求不是很高，這時(shí)通過(guò)選擇性能一般的水泵就可以滿足工業(yè)需求。變頻器的基本工作性能可以用額定容量、電機(jī)功率和額定電流等3個(gè)要素來(lái)衡量。為了滿足中型城市的基本用水需求，本文中選用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的MM430型號(hào)的變頻器來(lái)參與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

西門(mén)子公司生產(chǎn)的MM430變頻器內(nèi)置PID控制調(diào)節(jié)器，可用于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)控制，同時(shí)變頻器具有六位的編程器，可以通過(guò)人工編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的個(gè)性化和功能性控制。另外，MM430編碼器具有兩個(gè)模擬量輸入端和兩個(gè)模擬量輸出端以及兩個(gè)可編程的繼電器輸出，可滿足基本的系統(tǒng)控制需求，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.3 上位機(jī)的選型

隨著智能控制技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，觸摸屏控制設(shè)備已經(jīng)逐漸代替了傳統(tǒng)的PC控制設(shè)備，同時(shí)與傳統(tǒng)的PC控制方式相比，觸摸屏控制方式具有簡(jiǎn)單方便、工作效率高、安全性和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，工作人員只要輕輕觸摸觸摸屏上的相關(guān)文字或是圖形就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能，極大地提升了工作效率，對(duì)于那些對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不是很熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)利好的消息。

從兼容性和統(tǒng)一性的角度考慮，本文中使用到的上位機(jī)設(shè)備也從西門(mén)子公司采購(gòu)。通過(guò)縱向和橫向的比較，選用了西門(mén)子K-TP？178型號(hào)的上位機(jī)。該上位機(jī)是S7-200PLC設(shè)備的專用顯示和觸摸屏，該觸摸屏的大小為5.7英寸藍(lán)色4級(jí)灰度顯示屏，開(kāi)機(jī)和響應(yīng)時(shí)間均較短，無(wú)論是大小和基本性能都可以滿足供水系統(tǒng)顯示和控制的實(shí)際需要。同時(shí)該觸摸屏還具有防振動(dòng)、防塵、防水以及魯棒性高的特點(diǎn)，與之配套的Wincc？flexible軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈敏性都較高，可以最大限度地保證日?？刂乒ぷ鞯捻樌M(jìn)行。

2.4 壓力傳感器的選型

壓力傳感器也是疊壓供水系統(tǒng)中的基本組成元素之一，其基本工作原理是通過(guò)壓敏材料將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成1-5V/4-20mA的模擬電信號(hào)，并通過(guò)信息傳輸裝置將這種模擬信號(hào)傳輸?shù)絇LC設(shè)備中，然后PLC根據(jù)基本的邏輯和判斷運(yùn)算發(fā)出正確的操作指令。實(shí)際選用中為了降低干擾信號(hào)的影響，同時(shí)降低信號(hào)失真現(xiàn)象的發(fā)生，并最大限度地與PLC設(shè)備兼容，本文中選用了丹佛斯公司生產(chǎn)的額定輸出電流在4～20mA之間的電流型號(hào)的壓力傳感器。

3 控制系統(tǒng)的組成和程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)上文中提到的疊壓控制系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)和所確立的基本控制方案，該系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成主要由以下幾方面組成：PLC控制器、變頻器（MM430）、壓力傳感器和觸摸屏等。其中PLC控制器、變頻器和壓力傳感器等構(gòu)成系統(tǒng)的信息控制部分，觸摸屏是整個(gè)疊壓系統(tǒng)的顯示和控制部分，這兩部分協(xié)同工作共同完成管網(wǎng)疊壓供水控制。另外，PLC控制系統(tǒng)是整個(gè)疊壓控制系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵，通過(guò)可編程系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算達(dá)到平衡出水壓力的目的。變頻器進(jìn)行變壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)出口壓力保持恒定，最終達(dá)到控制流量的目的。

3.2 控制系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)

從實(shí)際工作需求和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)功能來(lái)看，其PLC控制系統(tǒng)的內(nèi)部程序功能，主要分為以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)初始化、控制水泵機(jī)組、系統(tǒng)啟停、壓力頻率比較計(jì)算以及報(bào)警功能等。其中控制水泵機(jī)組的程序又綜合控制著電機(jī)的啟停、工作頻率的改變和電機(jī)的切換等基本工作程序，壓力和頻率的比較計(jì)算也綜合控制著模擬量初始化和模擬量數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面。通過(guò)疊壓供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以清楚地了解各個(gè)子程序之間的連接關(guān)系和隸屬關(guān)系，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)更加方便，從而更好地完成對(duì)供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng)的工作模式如下：疊壓供水系統(tǒng)完成初始化后，首先由檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際供水壓力進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)的供水壓力小于市政供水壓力的下限值，將直接控制報(bào)警系統(tǒng)對(duì)工作人員進(jìn)行警示，然后計(jì)算壓力設(shè)定值和實(shí)際市政供水壓力值之間的差值，如果設(shè)定壓力值小于實(shí)際供水壓力值，則差值為正，否則為負(fù)。這個(gè)壓力差值經(jīng)過(guò)運(yùn)算后可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率變量，將其與變頻器的輸出值相加而成為變頻器當(dāng)前應(yīng)輸出的頻率。通過(guò)該計(jì)算頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際操控，達(dá)到穩(wěn)定輸出供水壓力的作用和效果。然后重復(fù)上述步驟，通過(guò)系統(tǒng)的內(nèi)部調(diào)節(jié)和設(shè)定，達(dá)到壓力設(shè)定值和實(shí)際輸出值之間的平衡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)供水壓力的穩(wěn)定輸出。另外，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率達(dá)到水泵的上限或是下限時(shí)，這時(shí)為了保護(hù)系統(tǒng)需要和保護(hù)水泵機(jī)組不受損壞，應(yīng)該通過(guò)PLC控制系統(tǒng)的相關(guān)功能控制增加或減少參與工作的水泵數(shù)量，維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

綜上所述，供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是市政部門(mén)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)中由于去除了水池和高位水箱，從而實(shí)現(xiàn)了能源的充分利用并有效降低了環(huán)境污染，對(duì)于促進(jìn)市政建設(shè)水平具有至關(guān)重要的意義和作用。本文根據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)了一套基于PLC的管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的控制和恒壓調(diào)速。系統(tǒng)采用壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力，后經(jīng)過(guò)PLC進(jìn)行PID控制運(yùn)算處理后變成變頻器頻率，通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)出口恒壓供水。

參考文獻(xiàn)

[1]韓楊楊.疊壓供水優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件及控制系統(tǒng)的研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[2]陳小嬋.住宅小區(qū)二次供水的電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[3]陳湞斐，李洪鳳，陳煒.基于Simulink仿真的管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)控制研究[J].電氣傳動(dòng)，2010（11）：53-56.

[4]孫瑋.疊壓供水設(shè)備對(duì)市政管網(wǎng)供水影響的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010.

[5]林林.疊壓供水及傳統(tǒng)二次供水能耗分析研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2009.

[6]李志丹.基于無(wú)線通訊技術(shù)的管網(wǎng)疊壓裝置集散監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.