岳鵬

（山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

自來水加壓站供水系統(tǒng)主要由變頻器驅動運行，當能源故障時，能夠切換到其他能源，以確保水廠能源不間斷地提供。近年來，舊系統(tǒng)在市供水方面發(fā)揮了不可替代的作用，由于水廠建成時間較長，當時城市對供水的需求較小，舊系統(tǒng)工作方式是可以理解的，隨著城市供水需求的快速增長，盡管已經(jīng)進行了多次改造，但自動控制和恒壓供水系統(tǒng)的設計理念仍較為落后，例如，在某些生產(chǎn)過程中，如果由于某種原因導致自來水供應壓力不足或短時間斷水，可能會影響產(chǎn)品質量，嚴重時會損壞設備，如果供水壓力不足或沒有供水，無法迅速撲滅火災，從而造成重大經(jīng)濟損失，因此，自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)能夠通過從加壓站啟動或停止水泵并調節(jié)放閥的開度來實現(xiàn)加壓水的恒定供應，自動調節(jié)水壓[1]。

1 系統(tǒng)運行方案及PLC 硬件結構

1.1 系統(tǒng)運行方案

自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)恒由一個泵房（5 臺機組）和一個蓄水池組成，如圖1 所示。一般情況下，當市政水龍頭的水壓高于固定壓力時，采用加壓泵直接供應系統(tǒng)，逐漸啟動兩臺泵對管網(wǎng)加壓，當檢測到市政自來水高于總壓力時，成為市政自來水的直接供水，當自來水壓力有確切的負壓標志時，應立即轉換為泵水箱水加壓，但此時應確保水池水位高于最低極限水位，采用抽水或加壓抽水時，輸出水總壓自動調整到給定值[2]。分析原系統(tǒng)可以看出，變頻器驅動的四臺泵中有兩臺為45kW，從安全的角度來看是不合理的，如果發(fā)動機長時間以低于30Hz 的頻率運行，發(fā)動機輸出扭矩將遠小于設備實際的扭矩，不利于發(fā)動機的使用壽命，因此，需要將兩臺45kW 發(fā)動機水泵更換為兩臺75kW 發(fā)動機水泵，以保證變頻器的使用壽命。自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)可以將整個控制策略轉化為全自動控制策略，并自動將水泵切換到相應的能量頻率或變頻狀態(tài)，無論閥門如何工作，操作人員都可以通過控制系統(tǒng)解決存在的現(xiàn)有問題。

圖1 自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)

1.2 PLC 硬件結構

考慮到目前城市只有一個供水單元的現(xiàn)狀，在不影響供水的前提下，應對現(xiàn)有電源、低壓配電和恒頻變頻自動供水系統(tǒng)進行現(xiàn)代化改造，盡可能縮短供水時間，使用自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)后將會大大提高供水設施的供水保證率，降低加工和運行成本，節(jié)約勞動力，并對運行有效管理。自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)所具備的PLC 控制室集中獨立安裝，可以采用以太網(wǎng)傳輸方式，提高供水運行速度和可靠性，同時，在可靠性改造過程中，應盡量減少供水系統(tǒng)改造和現(xiàn)代化給城市用水戶帶來的不便，以確保城市供水系統(tǒng)的正常運行，大大提高控制系統(tǒng)的性能和可靠性，避免使用過程中可能出現(xiàn)的缺陷，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)會根據(jù)故障等級自動報警，以便操作人員及時處理[3]。PLC 系統(tǒng)的可靠性體主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性，能夠保證了系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可靠性和實時性，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了堅實的基礎，且自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)中也具備聲光報警系統(tǒng)，針對出現(xiàn)的問題可以及時有效地解決，工作人員能夠第一時間獲得相關數(shù)據(jù)信息，使操作人員及時解決設備故障，確保自動和手動系統(tǒng)模式處于等待狀態(tài)，以最大限度地提高設備的工作效率。此外，自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)還具備先進的軟件和硬件設施，采取先進實用的控制系統(tǒng)，為后續(xù)水廠的運行和管理提供一套先進、優(yōu)秀的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設計不僅采用先進的理念、技術和方法，還應注意結構、設備和工具的相對成熟度，這不僅可以反映當時的先進水平，而且還可以確保未來幾年現(xiàn)代化和技術發(fā)展的潛力。PLC 技術在應用期間也具備一定的經(jīng)濟性特點，可以有效維持原系統(tǒng)的主要控制電路和設備，包括變頻器與軟啟動技術的使用，PLC 也保證了改造施工時原系統(tǒng)的運行，增加了控制回路、設備及機柜，使其相對獨立運行，并經(jīng)過充分論證，以最合理的設計方案選擇可靠、安全的設備，滿足改建水廠運行的實際需要，并應使用壓力供水系統(tǒng)和95%的設備和機電部件的原始控制恒量。為了節(jié)省勞動力，避免不必要的資源浪費，節(jié)約改造成本，降低運營成本，起到良好的開放性和兼容性，使整個系統(tǒng)易于升級和擴展，控制器中預留了冗余接口，便于今后系統(tǒng)的擴展和發(fā)展，進一步提高生產(chǎn)管理自動化水平，而在安全硬件方面，兩個手持讀卡器（車內(nèi)和停止水泵）在現(xiàn)有兩臺變頻器的基礎上增加，通過在現(xiàn)有控制面板上添加開關和按鈕上的開關，以便在啟動位置進行更改并停止水泵，即使自動控制系統(tǒng)失靈，也能夠保證正常供水[4]。

2 PLC 軟件設計

自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)具有多個檢測點和控制量，是一個大型測控系統(tǒng)，根據(jù)其特點，可以選用PLC 作為控制裝置，與其他可編程控制器相比，該控制器具有一些明顯的優(yōu)點，采用模塊化設計可根據(jù)實際需要靈活安裝，使用方便，PLC 恒壓供水系統(tǒng)結構如表1 所示，該系統(tǒng)包括一個能源供應單元、一個CPU 單元、一個機連接單元、一個I/O 單元和一個D/D 單元，上位機采用工控機和組態(tài)軟件，上位機連接單元，通過C-NET 適配器與之通信顯示整個加壓系統(tǒng)的結構、閥門和水泵的實時狀態(tài)，能夠隨時讀取水壓流量、閥門開度、水池水位等參數(shù)，以及各種實時報警記錄和故障[5]，根據(jù)恒壓供水的運行要求，PLC 控制系統(tǒng)必須隨時監(jiān)控來自市政水龍頭和供水口的水，以決定是否啟動水泵，或采用直接泵送和加壓方式，由于供水系統(tǒng)燃氣管道長，管徑長，閥門啟閉速度慢，管網(wǎng)允許壓力低，改造主要是在老設備的基礎上進行的，可以采用扇形調整法，將水壓偏差分為10%、20%、30%和40%四段，當檢測到偏差時，輸出控制量小，運行周期大；當偏差較大時，輸出控制量大，運行周期小，可以快速減少偏差。通常來說，自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)包括PLC、變頻裝置、測量傳感器、流量控制裝置、水位監(jiān)測裝置、報警系統(tǒng)、電源控制電路等，這些部件通過自動控制技術集成，通過控制臺上的按鈕可以直接操作，操作人員可以根據(jù)指令進行操作控制臺上的指示燈了解供水情況，其功能是通過系統(tǒng)中的水泵供水，通過水位監(jiān)控裝置和流量控制裝置可調節(jié)流量，機組運行時，系統(tǒng)可根據(jù)傳感器壓力測量壓力調節(jié)泵速，防止機組長時間高負荷運行，有效地控制功率，極大減少能源和水源的浪費，而在系統(tǒng)發(fā)生故障時，也可以立即切斷系統(tǒng)的運行活動。由于自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)是基于供水數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控、管理和傳輸，因此，硬件系統(tǒng)的配置在系統(tǒng)設計中非常重要，在實際變頻恒壓水控制系統(tǒng)中，通常采用主從式控制該結構，由主從機控制，主機采用PC 機出口，通過一系列的進出口控制子機，具有操作方便、可視性好、性能強等優(yōu)點，可通過其余的窗口軟件實現(xiàn)與平臺配合。目前，可編程控制器已經(jīng)在市場上進行了調制和系統(tǒng)化，故供水機組可以根據(jù)實際情況進行設置，在配置過程中，用戶只需確定軟件的硬件配置即可在設計運行過程中，通過修改可控程序中的控制程序進行現(xiàn)場調整[6]。同時，自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)可在供水過程中保持壓力穩(wěn)定，其原理是變頻調節(jié)使水管內(nèi)流量恒定，通過控制器調節(jié)變頻器輸出，使系統(tǒng)水壓在流量變化時能保持在一定范圍。與傳統(tǒng)供水方式相比，變頻恒壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)變頻恒壓，在一定程度上降低機組損耗，且變頻恒壓供水初期投資較低，后續(xù)運行成本也較低，可以節(jié)約大量成本。

表1 PLC 軟件供水控制系統(tǒng)部分輸入與輸出分配

3 結語

隨著變頻恒壓供水技術的推廣應用，城市供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率得到了顯著提高，能夠降低機組的故障率和使用風險，也避免機組故障造成的城市用水問題，可以極大優(yōu)化城市供水結構，顯著改善傳統(tǒng)公共群體的缺水狀況。在設計系統(tǒng)軟件時，應充分考慮信息資源的共享，注意信息的保護，針對不同的應用環(huán)境和不同的網(wǎng)絡通信環(huán)境采取不同的措施，包括系統(tǒng)安全機制、數(shù)據(jù)訪問權限的控制等。通常來說，供水系統(tǒng)是人們生活中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，由于傳統(tǒng)供水系統(tǒng)用水量的不確定性，管網(wǎng)水壓往往不穩(wěn)定，自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)不僅可以提高供水質量，降低能耗，減少二次污染，還可以確保加壓站的輸出壓力能長期保持在設定的壓力范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比，自來水加壓站自動恒壓供水系統(tǒng)輸入壓力波動過大時，整個自動控制系統(tǒng)能夠快速響應，輸出壓力能夠快速穩(wěn)定在裝配壓力。該自動系統(tǒng)波動小，水壓曲線平緩，自動化程度高，操作簡單，還可以通過上級監(jiān)控程序，根據(jù)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，直接制定下一步生產(chǎn)計劃，甚至修改運行方案，降低系統(tǒng)的維護工作量和維護成本。