李 鋼，張 敏

（江蘇江南水務(wù)股份有限公司，江蘇 江陰 214400）

供水控制系統(tǒng)的發(fā)展直接反映了供水領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)含量，也在一定程度上體現(xiàn)了人類社會(huì)處于不同社會(huì)時(shí)期的文明發(fā)展?fàn)顩r。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，如何有效地利用水資源和電能源以確保各行各業(yè)能夠正常用水已經(jīng)變得越來越重要[1]。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)可以通過對(duì)供水管路壓力情況的分析，按照出水瞬間壓力的變化實(shí)時(shí)自動(dòng)地調(diào)控水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泵電機(jī)投入使用的數(shù)量，確保二次供水出水壓力能夠維持在恒定的設(shè)定值，以有效地避免出現(xiàn)管路爆裂現(xiàn)象或者供水壓力效果不理想的狀況。

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)

變頻恒壓供水系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1）非線性：供水管路中由于存在水錘、管阻等影響因素，另外還受到水泵的一些固有特性的作用，使得水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化與供水管路壓力的變化成非線性關(guān)系，所以供水系統(tǒng)呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn)。

2）滯后性：供水管路的水壓是變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象，它跟溫度和濃度一樣都是表征過程的參量，會(huì)使控制系統(tǒng)產(chǎn)生滯后作用[2-4]，另外變頻器在調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同程度的滯后效應(yīng)。

3）時(shí)變性：在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中，由于水泵電機(jī)的運(yùn)行和停止在每時(shí)每刻都會(huì)發(fā)生變化，并對(duì)供水系統(tǒng)的模型參數(shù)產(chǎn)生直接影響，所以變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象具有時(shí)變性。

4）多變性：由于需要面向不同的供水系統(tǒng)，因此要求變頻恒壓供水系統(tǒng)具有一定的通用性。因?yàn)椴煌墓┧到y(tǒng)在管路結(jié)構(gòu)、揚(yáng)程以及用水量等方面都有所差別，所以多變性也是被控對(duì)象模型具有的特點(diǎn)[5]。

2 恒壓供水的原理

水泵以調(diào)速方式運(yùn)行，保持輸出水壓力恒定的控制原理如圖1 所示。

圖1 恒壓控制原理框圖

該圖中，設(shè)定的壓力SV是供水管路希望保持的壓力值，管路上安裝的壓力傳感器把實(shí)際壓力PV輸送到控制器的檢測(cè)量模擬輸入端。如控制器比較誤差e為正，說明實(shí)際壓力值PV小于設(shè)定值SV，則變頻器的輸出增加，那么水泵轉(zhuǎn)速n的上升會(huì)提高PV的值直到PV=SV，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來，保持管路壓力PV的值等于SV。當(dāng)誤差e為負(fù)時(shí)，說明實(shí)際壓力PV比設(shè)定值SV高，則變頻器的輸出頻率f減小，那么水泵轉(zhuǎn)速n的降低會(huì)減小PV的值直到PV=SV，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來，保持管路壓力PV的值等于SV。

一般供水系統(tǒng)由主用泵及備用泵多臺(tái)水泵組成，因此需要利用PLC 控制器來實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)多臺(tái)水泵的投入與退出過程。當(dāng)管路壓力PV小于設(shè)定壓力SV時(shí),控制器輸出增大，而變頻器頻率的增加會(huì)提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。隨著水泵的加速，PV增加，控制器的模擬量輸出接口輸出20 mA 電流信號(hào)時(shí)，變頻器達(dá)到最高的50 Hz 輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，等待一定時(shí)間后，如果PV一直小于SV，則說明一臺(tái)水泵已經(jīng)不夠用，應(yīng)使PLC 控制第二臺(tái)水泵投入運(yùn)行，一直到開泵臺(tái)數(shù)滿足要求為止，PV值基本穩(wěn)定在SV值附近。當(dāng)管路壓力PV大于設(shè)定值SV時(shí)，如果控制器的輸出已經(jīng)最小（0 mA），則調(diào)速水泵停止運(yùn)行，等待一定時(shí)間后，如果PV仍大于SV，PLC 控制關(guān)掉一臺(tái)水泵，直到關(guān)泵臺(tái)數(shù)滿足要求為止，PV基本穩(wěn)定在SV附近。

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)組成。

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：由3 臺(tái)水泵（兩用一備）組成，用于將市政水供入供水管路，系統(tǒng)根據(jù)水壓變化來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，用以保證供水管路的壓力恒定。

2）信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：供水管路處的壓力值由水壓信號(hào)來反映，這是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中最主要的反饋信號(hào)，當(dāng)PLC 讀取該模擬量信號(hào)時(shí)需要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。

3）控制機(jī)構(gòu)：供水控制器（PLC 系統(tǒng)）是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它和變頻器等其他電控部分安裝在控制柜中?？刂破骼脗鞲衅髦苯硬杉到y(tǒng)中水壓的反饋信號(hào)，通過分析從通信接口與人機(jī)接口傳來的數(shù)據(jù)信息得出控制算法，從而優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，并利用變頻調(diào)速器與接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施有效的控制。變頻器接收由供水控制器傳輸?shù)目刂菩盘?hào)并對(duì)水泵電機(jī)的工作頻率進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速控制，因此它是對(duì)水泵實(shí)施轉(zhuǎn)速控制的單元。

3 恒壓供水的控制方式

如圖2 所示，單臺(tái)變頻器控制單臺(tái)水泵的運(yùn)行方式較為簡(jiǎn)單方便，它避免了變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)對(duì)電網(wǎng)和系統(tǒng)的沖擊，很好地確保了設(shè)備的使用安全，而且采用這種方式非常便于水泵電機(jī)的切換[6-9]。雖說這種方式比單對(duì)多的運(yùn)行方式在造價(jià)上要更加昂貴，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來看這種方式反而比較實(shí)用。因?yàn)樵趩螌?duì)多的運(yùn)行方式下，設(shè)備的使用壽命不如在單對(duì)單的運(yùn)行方式下長(zhǎng)，而且頻繁的變頻與工頻的切換對(duì)系統(tǒng)影響也比較大[10-11]。另外，即使有其中任何一臺(tái)變頻器因?yàn)楣收系脑驎簳r(shí)不能使用，也可以迅速將這種單對(duì)單的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)成單對(duì)多的運(yùn)行方式，因此在設(shè)計(jì)上該系統(tǒng)最終采用了單對(duì)單的運(yùn)行方式。

圖2 供水系統(tǒng)主電路圖

4 可編程邏輯控制器的應(yīng)用

當(dāng)對(duì)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不得不重視弱電與強(qiáng)電之間的隔離問題。在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中，水泵電機(jī)、變頻器以及接觸器等硬件設(shè)備的動(dòng)作全部是通過PLC 的程序邏輯執(zhí)行的。為了保護(hù)PLC設(shè)備并且完成系統(tǒng)中弱電與強(qiáng)電的隔離，PLC 輸出端口利用中間繼電器來對(duì)電機(jī)或者閥門的動(dòng)作進(jìn)行有效的控制，不但能夠使系統(tǒng)得到保護(hù)并延長(zhǎng)了使用壽命，而且還提升了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[12-15]。

在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中，PLC 根據(jù)出水壓力變送器反饋的壓力值，利用變頻器的輸出頻率來調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵電機(jī)出力，以使供水管路的壓力恒定。作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，PLC 還負(fù)責(zé)與變頻器、觸摸屏、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信。如圖3 所示，該系統(tǒng)采用西門子S7-200 系列，并選擇CPU226 作為PLC 的主機(jī)。

圖3 供水系統(tǒng)PLC接線圖

根據(jù)接收到的有效自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)，PLC利用供水管路實(shí)際水壓與設(shè)定水壓之間的誤差來控制變頻器的輸出頻率。利用STEP 7-MicroWIN Project軟件可以完成控制算法的編程：首先把量化因子放進(jìn)PLC的保持繼電器內(nèi)，然后用A/D 轉(zhuǎn)換模塊把輸入量采集到PLC 的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過限幅量化處理后，調(diào)整PID 模塊的參數(shù)，求得輸出量，再乘以輸出量比例因子即可得到實(shí)際輸出量，再由D/A 模塊輸出進(jìn)行控制。水泵運(yùn)行的子程序流程如圖4所示，首先啟動(dòng)1#變頻器拖動(dòng)1#水泵，控制1#水泵的轉(zhuǎn)速，直至輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，這段時(shí)間水泵電機(jī)處于調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)供水管路的水壓增大或者降低時(shí)，利用PLC與壓力閉環(huán)來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速使水壓重新達(dá)到穩(wěn)定值。

圖4 水泵運(yùn)行流程圖

5 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

為了能夠自由形象地進(jìn)行過程控制，該系統(tǒng)選用了10.2 英寸的昆侖通態(tài)TPC1061TI 觸摸屏。這款國產(chǎn)觸摸屏以Cortex-A8 CPU 為核心，TFT 觸摸液晶顯示屏的分辨率為1 024×600，同時(shí)還預(yù)裝了嵌入式組態(tài)軟件，該軟件擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示等功能，能夠較好地應(yīng)用于二次供水等工況現(xiàn)場(chǎng)。所以在設(shè)計(jì)觸摸屏的人機(jī)界面時(shí)，應(yīng)盡量遵循簡(jiǎn)明、方便以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑瓌t[16]。為了讓觸摸屏具有較好的可視性與操作性，同時(shí)減少不必要的誤操作，設(shè)計(jì)界面時(shí)依據(jù)了Windows 操作系統(tǒng)風(fēng)格。通過觸摸屏內(nèi)置2 個(gè)獨(dú)立的通信串行端口，利用驅(qū)動(dòng)程序就能夠?qū)崿F(xiàn)與PLC 的通信，不需要編寫復(fù)雜而又冗長(zhǎng)的通信程序。PLC 既能夠按照觸摸屏送出的控制指令對(duì)供水系統(tǒng)完成相應(yīng)操作，也能夠把供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)傳送給觸摸屏來完成對(duì)工控設(shè)備的監(jiān)控。

MCGS是昆侖通態(tài)開發(fā)的人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）工程開發(fā)軟件，用戶利用MCGS 可以設(shè)計(jì)出適合于不同工程項(xiàng)目的功能化圖形界面。根據(jù)不同的需要，工程人員可以在不同的操作平臺(tái)上運(yùn)行由MCGS 建立的應(yīng)用程序。如圖5、圖6 所示，通過主界面上設(shè)置的“運(yùn)行狀態(tài)”、“運(yùn)行設(shè)置”、“事件記錄”、“壓力曲線”等操作按鈕，可以方便直觀地對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)實(shí)時(shí)壓力、歷史壓力曲線、報(bào)警記錄等進(jìn)行觀測(cè)。

圖5 運(yùn)行狀態(tài)圖

圖6 運(yùn)行設(shè)置圖

6 智慧化數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

WIM Cloud（Water Information Modeling Cloud）云服務(wù)平臺(tái)不但提供了通信功能、監(jiān)視功能和控制功能，還具有數(shù)據(jù)記錄的功能，它可以與多種數(shù)據(jù)庫相連接，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要使用該平臺(tái)默認(rèn)的Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫[17-19]。數(shù)據(jù)庫主要記錄了數(shù)字量值、模擬量值、報(bào)警記錄和運(yùn)行記錄等，其中數(shù)字量值和模擬量值可以在平臺(tái)中選擇是否記錄到數(shù)據(jù)庫中，避免一些不需要記錄的數(shù)據(jù)占用系統(tǒng)內(nèi)存。記錄的數(shù)據(jù)可以以報(bào)表的形式查看，也可以作出相應(yīng)的趨勢(shì)曲線圖進(jìn)行查看，數(shù)據(jù)可以方便地導(dǎo)入Excel 中，以便隨時(shí)調(diào)用。WIM Cloud 云服務(wù)平臺(tái)還提供了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看的功能，只需要工程編號(hào)的密碼，就可以通過Internet 在遠(yuǎn)程終端查看并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。

通過與云處理、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)相結(jié)合，WIM Cloud 云服務(wù)平臺(tái)的應(yīng)用使得泵房?jī)?nèi)的供水設(shè)施實(shí)現(xiàn)了智能化管控，工作人員在中控室內(nèi)就能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與操作，大大減輕了工作量[20-22]及水務(wù)公司的巡檢壓力，降低了二次供水泵房的運(yùn)行維護(hù)成本。如圖7 所示，對(duì)于二次供水控制系統(tǒng)，管理人員通過中控室的云服務(wù)平臺(tái)就可以及時(shí)而又準(zhǔn)確地獲知供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。遇到突發(fā)狀況時(shí)，平臺(tái)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警、報(bào)警機(jī)制，提升了水務(wù)公司的應(yīng)急搶修速度，提高了居民的供水安全可靠性，實(shí)現(xiàn)了“無人值班”（少人值守）的要求。

圖7 二次供水云服務(wù)平臺(tái)效果圖

7 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)的二次供水系統(tǒng)而言，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)不但提高了二次供水質(zhì)量、降低了設(shè)備投資、減少了泵房占地面積，還有效地提高了小區(qū)供水系統(tǒng)的可靠性、靈活性以及穩(wěn)定性，并且達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，保障了居民的安全供水。變頻恒壓控制系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于高層小區(qū)二次供水，而且能夠廣泛地運(yùn)用于各個(gè)類型的水電站、供熱循環(huán)用水系統(tǒng)或其他工業(yè)及民用領(lǐng)域?？傊?，供水模式的發(fā)展趨勢(shì)一定是智能、高效、節(jié)能、安全的，相信隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，供水技術(shù)的智能化也將越來越完善。