黃家偉

（廣西北海市供水有限責(zé)任公司，廣西 北海 536000）

基于PLC的廠區(qū)供水模式的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)踐

黃家偉

（廣西北海市供水有限責(zé)任公司，廣西 北海 536000）

基于PLC控制技術(shù)的城市供水監(jiān)控模式，是在傳統(tǒng)控制方式基礎(chǔ)上添加的新的具有節(jié)能效果好、自控程度高、運(yùn)行設(shè)計(jì)高的自控設(shè)備，既能夠解決泵房?jī)?nèi)無(wú)人值班、中控職守、節(jié)能降耗并安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的情況，也能夠增強(qiáng)供水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平的可靠性和穩(wěn)定性。

城市供水；PLC；遠(yuǎn)程監(jiān)控；監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 供水系統(tǒng)的組成

（1）城市供水系統(tǒng)的組成。城市供水系統(tǒng)是一套集水源水工程并涉及采集、加工水處理和輸送到供水管網(wǎng)、用水戶等各個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程。輔助系統(tǒng)包括廠區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等。城市供水系統(tǒng)的具體組成部分：①采集：通過(guò)水泵從天然水的水庫(kù)采，集如：北郊水廠需要加工處理從牛尾嶺水庫(kù)輸送水。②加工處理部分：將采集的天然水通過(guò)加藥、混凝、沉淀、過(guò)濾、加氯。③另一種地下水采集：通過(guò)潛水泵行深井地下水采集，如禾塘水廠、龍?zhí)端畯S將采集水輸送到廠區(qū)，通過(guò)沉淀、加氯、加石灰等各個(gè)環(huán)節(jié)水處理之后，變成合格的飲用水。④送水：將處理好的合格飲用水，從水處理廠（生產(chǎn)廠）重新輸送到城市供水管網(wǎng)或大型用水企業(yè)的供水管網(wǎng)。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)的組成。監(jiān)控系統(tǒng)是由自動(dòng)控制、供水過(guò)程的數(shù)據(jù)采集以及全廠閉路視頻監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成的。供水過(guò)程的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制系統(tǒng)，都是由上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)PLC子站來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲(chǔ)，并對(duì)各種工藝參數(shù)做出趨勢(shì)曲線，通過(guò)自控系統(tǒng)控制進(jìn)行操作，便可讓系統(tǒng)功能開(kāi)始修改和設(shè)置控制參數(shù)，從而給各個(gè)PLC子站下達(dá)相關(guān)指令，以達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控和控制的目的。而設(shè)置在廠區(qū)及構(gòu)筑物內(nèi)部的關(guān)鍵部位的閉路視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要的功能則是對(duì)各種工況、工段、工藝設(shè)備、電氣設(shè)備等的瀏覽監(jiān)控，以便讓管理者能夠及時(shí)掌握供水系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、輸送水泵等的具體運(yùn)行情況。

2 供水系統(tǒng)的控制流程

供水系統(tǒng)主要包括水源輸送部分、恒壓變頻供水部分以及HMI的控制部分。

（1）水源輸送有地表水輸送和地下水供給，其中地表水水源豐富，但制水成本高，地下水限制開(kāi)采，資源有限。

（2）恒壓變頻供水部分。用壓力傳感器檢測(cè)出水泵出水管網(wǎng)處的水壓后，來(lái)比較壓力信號(hào)和給定水壓，并通過(guò)PID控制器來(lái)控制變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的調(diào)速和水泵數(shù)量的增減，并逐漸來(lái)形成給定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng)，繼而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。在PLC系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令后，用PLD模塊測(cè)出壓力和設(shè)定壓力的差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來(lái)控制設(shè)定值，并讓用水量和供水量達(dá)到水位的平衡。水泵工作在變頻運(yùn)行狀態(tài)后，通過(guò)PID來(lái)調(diào)節(jié)模塊來(lái)增大或降低水泵的轉(zhuǎn)速。如果管網(wǎng)水壓力增加或者用水量減少那么便會(huì)導(dǎo)致水泵的轉(zhuǎn)速減小。當(dāng)管網(wǎng)實(shí)際的壓力還未達(dá)到設(shè)定值時(shí)則用系統(tǒng)將設(shè)定的水泵切換到工頻運(yùn)行，繼而啟動(dòng)轉(zhuǎn)換水泵，讓管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值該有的范圍。而當(dāng)用水量下降水壓升高時(shí)，管網(wǎng)的實(shí)際壓力還在設(shè)定值以上時(shí)，那么就應(yīng)該立即停止原設(shè)定水泵的運(yùn)行，并用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換泵的運(yùn)行頻率，從而讓管網(wǎng)壓力重新回到設(shè)定值。

（3）HMI控制部分。HML是系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)控的人機(jī)界面系統(tǒng)，手動(dòng)、自動(dòng)、頻率顯示、泵的運(yùn)行方式顯示、故障報(bào)警、顯示、故障報(bào)警以及顯示等都是HMI系統(tǒng)的主要功能。PLC系統(tǒng)都有對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的手動(dòng)或者自動(dòng)切換和檢測(cè)，如果選擇的是自動(dòng)功能，所有控制和報(bào)警功能均是由PLC系統(tǒng)自動(dòng)完成，但如果選擇的是手動(dòng)功能，則應(yīng)該在檢測(cè)之后自由的切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

3 基于PLC供水系統(tǒng)的廠區(qū)供水模式工作原理

在供水系統(tǒng)中，基于PLC的廠區(qū)供水模式的程序，是以PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，并可以負(fù)責(zé)輸入信號(hào)采集、控制負(fù)載運(yùn)行以及PID恒壓供水調(diào)節(jié)以及HMI人機(jī)界面的數(shù)據(jù)交換。該供水系統(tǒng)是采用變頻器來(lái)拖動(dòng)大功率電動(dòng)機(jī)，并在變頻和工頻兩種不同的方式下開(kāi)始運(yùn)行。

4 PLC的軟件設(shè)計(jì)

（1）手動(dòng)和自動(dòng)方式的無(wú)擾動(dòng)形式的切換。在實(shí)際操作中，操作人員為了解決一些沖突和生產(chǎn)調(diào)度的要求，需要及時(shí)切換生產(chǎn)工作方式才可以滿足供水管網(wǎng)需求。切換過(guò)程中既不能讓各級(jí)泵組的工作狀態(tài)受到影響，也不能讓泵組在短時(shí)間內(nèi)啟停，更不能由于工作方式的轉(zhuǎn)換，而造成間歇性的水壓不穩(wěn)定，造成供水管網(wǎng)產(chǎn)生水錘影響。

（2）測(cè)控的自動(dòng)化。PLC系統(tǒng)要根據(jù)城市管網(wǎng)的水壓從而自動(dòng)控制輸、送水泵組、通過(guò)調(diào)節(jié)變頻泵的運(yùn)行工況。在自動(dòng)方式控制泵的情況下，先用二級(jí)泵來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)出水管道的壓力，并在小于壓力設(shè)定范圍中去尋找累計(jì)工作時(shí)間最短的泵啟動(dòng)或變頻自動(dòng)調(diào)速，一直到水管壓力恢復(fù)到設(shè)定的范圍之內(nèi)，保證管網(wǎng)恒壓。

（3）預(yù)警功能要得到完善。為了防止輸、送泵空轉(zhuǎn)、過(guò)載以及缺相的現(xiàn)象發(fā)生，要特別設(shè)置電流、出水壓力檢測(cè)傳感器。在二級(jí)泵6臺(tái)機(jī)組的電流信號(hào)大于額定值的1.1倍或者小于0.3倍時(shí)狀態(tài)或設(shè)定值或者是出水壓力信號(hào)小于或大于設(shè)定值，且兩種情況都會(huì)持續(xù)一定設(shè)定時(shí)間值，則應(yīng)該立刻控制配電并及時(shí)報(bào)警，相應(yīng)運(yùn)行工況的指示燈也會(huì)變閃爍示警；如果清水池水位高于設(shè)置點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)撤停一級(jí)輸送泵回水；如果管網(wǎng)壓力小于或者高于限定值時(shí)，應(yīng)該及時(shí)聲光報(bào)警并自動(dòng)撤換或變頻調(diào)速二級(jí)送水泵。

（4）智能化設(shè)計(jì)。每個(gè)泵都有運(yùn)行、停機(jī)、故障三種狀態(tài)，通過(guò)智能識(shí)別方式識(shí)別泵的三種方式，先從泵的停機(jī)狀態(tài)中找出工作累計(jì)時(shí)間最少的泵。然后從整個(gè)泵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中用最真實(shí)、最正確的狀態(tài)確定整個(gè)供水系統(tǒng)的可靠性。PLC系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)保持復(fù)位指令、標(biāo)志位指令等相結(jié)合的方式，來(lái)成功解決關(guān)鍵性的問(wèn)題。

（5）壓力PLD控制。在PLC系統(tǒng)工作啟動(dòng)自動(dòng)狀態(tài)后，PLC自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)正定PLD參數(shù)，并在完畢后讓系統(tǒng)安裝所得參數(shù)進(jìn)行PLD控制，并根據(jù)控制量的輸出情況和壓力測(cè)量值的大小來(lái)進(jìn)行泵組運(yùn)行調(diào)配。

5 PLC系統(tǒng)控制方案

（1）系統(tǒng)功能規(guī)劃方式。供水泵房的供水系統(tǒng)雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)供水的瞬時(shí)流量和對(duì)數(shù)據(jù)的采集，但若是能進(jìn)一步提高對(duì)管理系統(tǒng)的管理效能，那么優(yōu)化方案便是必然的途徑。而優(yōu)化系統(tǒng)方案的途徑最好的方式則是以下幾種：①要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水工況。要測(cè)量市政管網(wǎng)的出水壓力、清水池水位及水源水回水量并對(duì)泵組工況和全程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，并且可以用太網(wǎng)傳送的方式傳送到中控系統(tǒng)，并顯示到能源管控主屏幕的組態(tài)畫(huà)面。②供水方式的自動(dòng)切換模式。若要實(shí)現(xiàn)供水方式的自動(dòng)切換，則應(yīng)該將上位機(jī)設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)的控制程序，然后再通過(guò)軟啟停扭來(lái)實(shí)現(xiàn)供水方式的自動(dòng)切換功能。如果市政管網(wǎng)的出水水壓比定值低，那么二級(jí)泵將會(huì)抽調(diào)整泵組進(jìn)行城市管網(wǎng)供水。反之，則由水源水調(diào)節(jié)向廠區(qū)回水。③供水峰值時(shí)段。為了能夠更好的管理清水池中的水質(zhì)，水量，系統(tǒng)應(yīng)該定期調(diào)配水泵并進(jìn)行供水。所以，設(shè)定一個(gè)能夠手動(dòng)設(shè)置供水方式和用水峰值的時(shí)間裝置，才能夠滿足城市用水。

（2）系統(tǒng)的配置。PLC控制器則先進(jìn)行了軟件編程之后，再運(yùn)行和操作及第三方設(shè)備的通信將總出水電動(dòng)閥傳感器和清水池中夜位變送器采集信息，都可以采用工業(yè)進(jìn)行太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。PLC的傳輸系統(tǒng)輸入信號(hào)包括電動(dòng)閘閥和增壓水泵系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)和反饋信號(hào)，并通過(guò)太網(wǎng)和工業(yè)的方式傳輸?shù)剿垂芾硐到y(tǒng)當(dāng)中，并從主屏幕的組態(tài)畫(huà)面中，切實(shí)觀察到市政管網(wǎng)水壓和清水池水位高度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

（3）系統(tǒng)控制架構(gòu)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)可以分為三層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、信息管理層、過(guò)程控制層?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采用的是現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)，并將PLC和水壓傳感器、液位變送器和電動(dòng)閘閥等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連接在一起，從而保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。過(guò)程控制層：采用工業(yè)太網(wǎng)，遵循TCP通信協(xié)議，將上位機(jī)和PLC控制器連接起來(lái)，并用網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，以及指令控制。信息管理層：用上位機(jī)先用組態(tài)軟件組間圖形畫(huà)面，并從控制對(duì)象中采集數(shù)據(jù)且記錄到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖形工作站和系統(tǒng)之間通過(guò)太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的通訊檢測(cè)，從而達(dá)到控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和精確操作的目的。

（4）PLC控制程序設(shè)計(jì)。將PLC的工作過(guò)程分為采樣輸入轉(zhuǎn)化、執(zhí)行用戶程序以及輸出刷新。而用戶的程序則是水位、水壓數(shù)據(jù)模擬量的采集和轉(zhuǎn)化、手動(dòng)與自動(dòng)供水方式的選擇、供水峰值的預(yù)警和水位報(bào)警系統(tǒng)的提前預(yù)警以及增加水泵系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。主程序需要一開(kāi)始給就輸入PLC模擬量并進(jìn)行復(fù)位操作。等到復(fù)位完成后，主程序再按照一定的周期通過(guò)RUN的模式，進(jìn)行循環(huán)掃描。啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的PLC控制程序，準(zhǔn)備好初始化所需要的各種寄存器，再采集市政管網(wǎng)出水壓力、清水池水位，并設(shè)置成默認(rèn)狀態(tài)自動(dòng)和手動(dòng)，然后開(kāi)啟增壓泵系統(tǒng)，并進(jìn)行清水池供水模式。如果水壓大于等于設(shè)定值，則必須關(guān)閉泵系統(tǒng)，開(kāi)啟電動(dòng)閘閥，進(jìn)入到市政管網(wǎng)的直接供水模式。而在該模式下，進(jìn)入供水峰值時(shí)段選擇模塊則能夠選擇管網(wǎng)供水設(shè)定調(diào)整、清水池供水峰值時(shí)段以及具體的時(shí)間切換。而能夠保證水質(zhì)水量安全的系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定期時(shí)間，如果水位高度高于設(shè)定值的30%，則可以增壓泵系統(tǒng)開(kāi)啟；而水位高度在設(shè)定值30%以下的，則得開(kāi)啟電動(dòng)閥，并關(guān)掉泵系統(tǒng)。如果清水池水位高度大于設(shè)定值100%或者低于設(shè)定值30%，則應(yīng)該執(zhí)行報(bào)警程序并進(jìn)行緊急處理。PLC控制流程如圖1所示：

圖1 PLC控制流程圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制電路圖

基于PLC的廠區(qū)供水模式系統(tǒng)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、廠區(qū)閉路視頻監(jiān)控技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等結(jié)合起來(lái)，從而構(gòu)成城市供水系統(tǒng)的供水模式。以上對(duì)各種供水模式的優(yōu)化和實(shí)踐都較好的提高了供水系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。

［1］羅德俊.城市供水系統(tǒng)幾個(gè)新技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展［J］．建筑電氣，2014，（5）:22-24．

［2］楊曉萍，解建寶.高爐供水計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，17（3):212－216．

黃家偉（1959-），男，廣西北海人，大學(xué)?？疲こ處?主要研究方向：供水在線運(yùn)行及水質(zhì)丶儀表聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)（監(jiān)控）。