農(nóng)村變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

禹紅　吳成中　劉芬　于蘭芝

摘要：針對(duì)目前的農(nóng)村供水供水不穩(wěn)定、可靠性差等問題，設(shè)計(jì)出一種基于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程分布式網(wǎng)絡(luò)控制的恒壓變頻控制系統(tǒng)，主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)、中間路由傳輸系統(tǒng)和本地供水控制系統(tǒng)三大系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，實(shí)現(xiàn)了滿足各部位的用戶對(duì)水的需求的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：變頻控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0016-02

水是生命之源、是人類生存的基礎(chǔ)，居民生活用水質(zhì)和量的水平是衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)文明程度的一個(gè)重要標(biāo)志，占全國(guó)人口70%的農(nóng)村居民生活用水質(zhì)量的高低直接關(guān)系到我國(guó)整體文明建設(shè)的進(jìn)程和水平。我國(guó)改革開放以來，經(jīng)濟(jì)“持續(xù)、快速、健康”的增長(zhǎng)，綜合國(guó)力明顯增強(qiáng)，各行各業(yè)快速發(fā)展，全國(guó)提前實(shí)現(xiàn)了第二步戰(zhàn)略目標(biāo)。而農(nóng)村供水作為農(nóng)民生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施基本處于一種自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)，突出存在水壓時(shí)低時(shí)高、各部位的水壓差異大、供水可靠性差等問題，與快速發(fā)展的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)形勢(shì)脫節(jié)，已開始制約農(nóng)民生活質(zhì)量的進(jìn)一步提高。截止到2005年全國(guó)共建成農(nóng)村飲水工程300多萬處，其中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水工程3.2萬處，村集中供水10多萬處。農(nóng)村居民中享受自來水的人數(shù)約4億多人，占農(nóng)村總?cè)丝诘?5%。但自然村屯自來水普及率僅29%。供水量為北方每人每日供水10L左右，南方40L左右。比國(guó)際上發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村供水量20～50L/d的標(biāo)準(zhǔn)低。因此，加速發(fā)展農(nóng)村飲水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工作是關(guān)系到農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高農(nóng)村人口素質(zhì)、穩(wěn)定農(nóng)村社會(huì)的大問題，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。

1變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本恒壓變頻供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在達(dá)到用戶打開水龍頭閥門，同時(shí)單片機(jī)、PLC等控制器采集水壓傳感器壓力變化值，調(diào)節(jié)供水網(wǎng)中水泵旋轉(zhuǎn)頻率，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，保證供水出口壓力保持不變，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。做到用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，即可滿足各部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。其基本本結(jié)構(gòu)為： PLC+變頻器+變頻調(diào)速的泵（如圖1）。

供水管網(wǎng)的管內(nèi)壓力與水泵的轉(zhuǎn)速、用戶用水負(fù)荷等有關(guān)，水泵轉(zhuǎn)速越快，管內(nèi)壓力越大，用水負(fù)荷就越大，管內(nèi)壓力越小。在供水系統(tǒng)中，負(fù)荷往往是不可控的，因此，在恒壓供水系統(tǒng)中，只有調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來控制壓力。本設(shè)計(jì)水泵的轉(zhuǎn)速控制使用PID控制算法來控制，PID控制模塊具有比較和差分的功能，供水的壓力低于設(shè)定壓力，變頻器就會(huì)將運(yùn)行頻率升高，反之則降低，并且可以根據(jù)壓力變化的快慢進(jìn)行差分調(diào)節(jié)。利用系統(tǒng)中的壓力傳感器將壓力信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，送入PID等控制器，PLC將控制器計(jì)算的數(shù)值輸出到變頻器，變頻器根據(jù)輸入的模擬量，改變輸出的電壓及頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，改變管內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)恒壓供水控制。

2本項(xiàng)目控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為基于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程分布式網(wǎng)絡(luò)控制的恒壓變頻控制系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)、中間路由傳輸系統(tǒng)和本地供水控制系統(tǒng)三大部分；遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)是局部區(qū)域供水網(wǎng)絡(luò)的高層管理器，負(fù)責(zé)對(duì)本地工作站供水信息采集和統(tǒng)計(jì)，分析本地服務(wù)站供水狀況和供水使用情況，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)本地服務(wù)站系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷等功能，實(shí)時(shí)確認(rèn)各本地服務(wù)器供水系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。鏈路通信網(wǎng)路負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)與本地供水網(wǎng)路的正常通信，若干個(gè)本地供水系統(tǒng)組成一個(gè)龐大的子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于主系統(tǒng)與子系統(tǒng)的距離較遠(yuǎn)，考慮農(nóng)村分散式供水系統(tǒng)零星分布等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)子系統(tǒng)分布為分布式網(wǎng)絡(luò)終端，主控制網(wǎng)路與子控制網(wǎng)絡(luò)之間的通信方式是基于TCP/IP協(xié)議的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信模式。

3本地供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本地供水控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，是本地供水系統(tǒng)中的執(zhí)行部分，主要包括本地服務(wù)器、PLC可編程邏輯控制器、變頻器、水泵和水壓表等組成部分（圖2）。

本地PC機(jī)與PLC組成主從式控制系統(tǒng)，可編程邏輯控制器PLC與變頻器和水壓表構(gòu)成交互網(wǎng)絡(luò)，通過RS232或者網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信，本項(xiàng)目中，采用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議Modbus協(xié)議，首先對(duì)水壓表和變頻器定義不同的地址，地址標(biāo)號(hào)不能重復(fù)，避免出現(xiàn)同一地址響應(yīng)沖突，引發(fā)通信故障，PLC以廣播方式給所有從級(jí)設(shè)備發(fā)送指令。

PLC可編程邏輯控制器實(shí)時(shí)采集嵌入在輸水管道中的水壓表的數(shù)值，然后將水壓表的實(shí)際值跟設(shè)定值作比較，然后將比較結(jié)果輸送到PID控制器或者模糊算法控制器，并將控制器數(shù)據(jù)的結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制輸出量，PLC邏輯控制器將計(jì)算以后的控制輸出量通過發(fā)送到變頻器中，控制變頻器的輸出，從而改變水泵的運(yùn)行狀態(tài)，水泵系統(tǒng)是一個(gè)大慣量、非線性系統(tǒng)，在控制過程中，首先要確定各種啟動(dòng)參數(shù)，如Kp、Ki、Kd等pid控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水泵的無抖動(dòng)超調(diào)優(yōu)化控制，保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

在本地供水系統(tǒng)中，隨著用水網(wǎng)絡(luò)的增大，用戶用水的增多，供水任務(wù)的增大，單臺(tái)水泵往往難以解決供水問題，在用水高峰期，往往需要多臺(tái)水泵并行供水，對(duì)于高層樓宇，則需要多級(jí)水泵串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，并行供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程為：

初始化相關(guān)配置參數(shù)，采集供水網(wǎng)絡(luò)壓力信息，電機(jī)進(jìn)行初始化等。

采集供水網(wǎng)絡(luò)中各壓力傳感器上水壓的大小，在供水網(wǎng)絡(luò)中，存在壓力傳感器比較多，因此，需要先開辟大塊內(nèi)存或者采用數(shù)據(jù)庫(kù)保存壓力值。

計(jì)算供水網(wǎng)絡(luò)中水泵上下端總的壓力值大小。

根據(jù)計(jì)算出壓力值大小，判斷開啟水泵的多少和功率的大小，當(dāng)實(shí)際壓力值小于閾值1時(shí)，僅開啟水泵1，當(dāng)實(shí)際壓力值大于閾值1小于閾值2是，開啟水泵1和水泵2，當(dāng)實(shí)際壓力值大于閾值2小于閾值3是，開啟水泵1、水泵2和水泵3，依次類推。完成多水泵并行增減壓的功能。

具體流程圖如下圖3。

4遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過對(duì)泵站業(yè)務(wù)需求和功能需求的分析，把泵站作為相對(duì)獨(dú)立的部分進(jìn)行監(jiān)控，不但要能實(shí)現(xiàn)就地控制的各種功能，還要能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和就地控制的相互切換，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，送水泵房仍能實(shí)現(xiàn)就地控制，達(dá)到以下功能。

（1）控制功能：功能分自動(dòng)和手控兩種方式，在轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動(dòng)位置時(shí)，便立即進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。

（2）監(jiān)測(cè)功能：不論設(shè)備處于哪種工作方式下，即使在手動(dòng)方式下，系統(tǒng)具有對(duì)設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)信號(hào)的設(shè)置是根據(jù)設(shè)備控制流程需要、保護(hù)設(shè)備安全需要、生產(chǎn)管理需要和提供設(shè)備故障查詢而選定的。

遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)是整個(gè)恒壓變頻供水網(wǎng)絡(luò)的最高層次，是信息處理的核心部分，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控本地供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)分析。與現(xiàn)有農(nóng)村落后供水方式相比較，系統(tǒng)能夠監(jiān)控各個(gè)供水地區(qū)異常的出現(xiàn)，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，通知維護(hù)和管理人員作出反應(yīng)，可以避免因遠(yuǎn)程管道斷裂，影響農(nóng)村居民用水、造成水資源浪等現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于現(xiàn)有的農(nóng)村供水系統(tǒng)中，供水水源與用水區(qū)域相隔較遠(yuǎn)，若供水部位系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障，管理人員不能夠及時(shí)察覺，易造成供水中斷或系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響下游農(nóng)村星散用戶取水方便。

5網(wǎng)絡(luò)通信模塊

本設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用Visual 2010編程軟件編寫，主要包括通信功能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能和故障自診斷功能，并集成了匯總打印外部設(shè)備，通信功能采用了socket通信方式下地Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）模型，這種方案客戶應(yīng)用程序向服務(wù)器程序請(qǐng)求服務(wù)（圖4 Socket編程流程圖）。一個(gè)服務(wù)程序通常在一個(gè)眾所周知的地址監(jiān)聽對(duì)服務(wù)的請(qǐng)求，也就是說，服務(wù)進(jìn)程一直處于休眠狀態(tài)，直到一個(gè)客戶向這個(gè)服務(wù)的地址提出了連接請(qǐng)求。在這個(gè)時(shí)刻，服務(wù)程序被“驚醒”并且為客戶提供服務(wù)-對(duì)客戶的請(qǐng)求作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

6結(jié)語

本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的恒壓變頻分布式控制系統(tǒng)和大型遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，開發(fā)了上位機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件、下位機(jī)PLC工作站組、變頻控制器和水泵機(jī)組、實(shí)施故障自診斷軟件系統(tǒng)等；能進(jìn)行供水網(wǎng)路中局部供水故障的自行診斷與排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置；做到了用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，實(shí)現(xiàn)了滿足各部位的用戶對(duì)水的需求的目標(biāo)，大幅度的提高了農(nóng)村供水可靠性。應(yīng)用本變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，對(duì)改善農(nóng)村生活質(zhì)量有切實(shí)的意義，該設(shè)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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