基于Sedona平臺的智能供水系統(tǒng)

沈 進(jìn)，王亞剛，蔡杰杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

為了提高供水質(zhì)量，保證充足的水量供應(yīng)和穩(wěn)定的水壓，采用多臺水泵構(gòu)成恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合越來越多，如在居民樓小區(qū)、大型商場及酒店等地方。傳統(tǒng)的恒壓變頻供水系統(tǒng)大多是基于PLC技術(shù)，邏輯處理能力一般，編寫邏輯復(fù)雜的程序需要消耗大量的精力和時間，開發(fā)周期長?；赟edona平臺所需要的開發(fā)周期短、消耗的人力和物力較少，開發(fā)方便。部分功能在Sedona平臺上易實現(xiàn)，而在PLC平臺上卻難以實現(xiàn)，如日常管理、在線遠(yuǎn)程編程、遠(yuǎn)程報警等功能［1－2］。

Sedona平臺是Honeywell旗下子公司Tridium在其優(yōu)秀的智能建筑管理系統(tǒng)Niagara［3］平臺設(shè)計的基礎(chǔ)上，特別針對嵌入式智能設(shè)備推出的開源軟件平臺。采用與Java類似的虛擬機(jī)機(jī)制，實現(xiàn)與Java一樣的“一次編程，隨處運行”的功能，大幅降低應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試的難度。

Sedona技術(shù)現(xiàn)在主要用于設(shè)備之間集中控制、分散管理，在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。設(shè)計此套系統(tǒng)是一個創(chuàng)新。需要重點解決的幾個問題是:選泵程序、加減泵程序、變頻工作模式切換到工頻工作模式程序和控制算法的實現(xiàn)。此系統(tǒng)能保證高效、穩(wěn)定的供水，并且有多種輔助功能。

1 系統(tǒng)介紹

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由Sedona控制器30P、I/O設(shè)備、傳感器、變頻調(diào)速器、壓力變送器、交流接觸器等設(shè)備以及6臺有變頻和工頻工作方式的水泵組成。在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，壓力變送器與I/O設(shè)備相連，30P通過Modbus通信協(xié)議與I/O設(shè)備通信并采集到出水壓力的信號，將出水壓力與設(shè)定壓力經(jīng)過自動控制運算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定［4］。上位機(jī)采用組態(tài)屏，通過觸屏修改系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，并且屏幕上可以直觀的顯示主要運行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具有多種自診斷功能，例如安裝過程中能顯示各主要設(shè)備是否與控制器接通，出現(xiàn)故障時能自動報警并采取保護(hù)措施，可以做到無人值守，方便管理［5］。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計介紹

根據(jù)各自功能，硬件系統(tǒng)分為:信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)3大部分。信號檢測機(jī)構(gòu)包括水位和水壓等檢測電路;控制機(jī)構(gòu)主要包括Sedona控制器30P、上位機(jī);執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括水泵和變頻器［6－7］。

主要用變頻器的輸出頻率和水壓來決定加減泵。變頻設(shè)定上限頻率50 Hz和下限頻率20 Hz。為避免干擾造成電機(jī)頻繁啟動，每當(dāng)上升到上限頻率或者下降到下限頻率時，保持5 s，然后檢測水壓信號，若水壓不滿足系統(tǒng)要求則進(jìn)行加泵或者減泵。這樣做不僅能增強抗干擾能力，而且減少頻繁啟動，保護(hù)電機(jī)。為減少工頻泵投入和退出時產(chǎn)生的沖擊，在加入工頻泵時，使變頻器從最低頻率開始運行［8－9］，退出時使變頻器從最高頻率開始運行。具體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運行流程圖

2.2 系統(tǒng)運行模式

2.2.1 手動運行模式

選擇手動工作方式時，按啟動按鈕或停止按鈕，可以根據(jù)需要而分別啟動各水泵。這種工作方式僅供檢修或者控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。

2.2.2 自動運行模式

在自動運行模式下，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢。判斷是否有水、進(jìn)水壓力、出水壓力和目標(biāo)壓力值。系統(tǒng)自檢時，進(jìn)水管無水時系統(tǒng)不啟動并報警，進(jìn)水管有水時，系統(tǒng)自動啟動。啟泵時，會選擇運行時間最短的泵使其變頻交流器吸合，電機(jī)與變頻器連通，變頻器輸出頻率從20 Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋給30P，經(jīng)過自動控制算法運算后控制變頻器的頻率輸出。變頻器的輸出頻率轉(zhuǎn)換為電壓信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2.3 水池水位檢測

在自動供水的過程中，30P通過采集傳感器的數(shù)據(jù)實時檢測水池水位，若水位低于設(shè)定的報警水位時，蜂鳴器發(fā)出缺水報警信號;若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報警信號;若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時，自動關(guān)斷水池給水管電動閥門。

2.2.4 自動啟動

當(dāng)電源突然斷電，若無人值班，恢復(fù)供電后若系統(tǒng)無法啟動會造成斷水，為此本系統(tǒng)設(shè)置了通電后自動變頻啟動方式。在電源恢復(fù)后，30P發(fā)出指令，然后按自動運行方式變頻啟動所選擇工作時間最少的泵。

2.2.5 多重保護(hù)功能

超壓保護(hù):設(shè)定一個壓力上限值，當(dāng)出水壓力達(dá)到管路超壓壓力并持續(xù)若干秒，系統(tǒng)執(zhí)行停機(jī)程序并發(fā)出報警。當(dāng)壓力低于超壓壓力并持續(xù)若干秒，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓變頻模式，報警自動解除。

電機(jī)過載保護(hù):當(dāng)電機(jī)過載時觸發(fā)控制器顯示該電機(jī)過載并報警顯示。同時屏蔽該水泵，設(shè)備運行時自動越過該泵，不影響系統(tǒng)運行。

2.2.6 緊急工作模式

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，必須保證不間斷供水。當(dāng)變頻器突然發(fā)生故障，蜂鳴器報警，30P發(fā)出指令使當(dāng)前工作的變頻泵關(guān)掉，工頻工作的水泵保持狀態(tài)不變，此時系統(tǒng)根據(jù)出水壓力電接表的上下限觸發(fā)為準(zhǔn)來進(jìn)行切泵。若緊急模式持續(xù)了若干時間還沒恢復(fù)正常，監(jiān)控頁面會一直有報警存在，相關(guān)值班人員可以前來進(jìn)行維修。

2.2.7 水箱清空

系統(tǒng)每天設(shè)置2個獨立時段，啟動水箱清空程序。在進(jìn)水壓力傳感器壓力高于下限的情況下，清空程序啟動，此時系統(tǒng)關(guān)閉水箱控制閥和管網(wǎng)直連閥，逐步把水箱的水用到低于水位下限后退出程序，直到下一時間點啟動水箱清空程序。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 邏輯編程

系統(tǒng)的程序主要分為兩類:加泵程序和減泵程序。

3.1.1 加泵程序

加泵程序中包括選泵程序、啟泵程序、切泵時變頻器輸出頻率變化程序。第一次啟泵時，首先開啟待工作的水泵中工作時間累積最小的一個，使其處于變頻工作狀態(tài)，實時監(jiān)測出水壓力并采集到JACE600控制器里經(jīng)過自動控制運算，控制變頻器的輸出頻率，當(dāng)實際出水壓力小于設(shè)定目標(biāo)壓力時且輸出頻率加到50 Hz時，50 Hz保持5 s以上觸發(fā)一個true信號表示要加泵，此時選擇余下未開啟的水泵中工作時間最少的泵打開其工頻工作方式，同時讓變頻器的輸出頻率從20 Hz開始增加，然后輸出頻率交給自動控制運算決定，實現(xiàn)實際出水壓力連貫。依次類推，直至實際壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值。變頻泵的工作時間可以設(shè)定為一個定值，到期后關(guān)閉當(dāng)前工作的變頻泵選擇下一個工作時間最少的泵使其工作在變頻模式。

3.1.2 減泵程序

減泵程序包括選泵程序和變頻器輸出頻率變化程序。當(dāng)用戶用水量減少，實際出水壓力增大，當(dāng)實際出水壓力大于目標(biāo)壓力值時且輸出頻率減到20 Hz時，20 Hz保持5 s以上觸發(fā)一個減泵信號，此時將處于工頻工作狀態(tài)的工作時間最長的水泵。

3.1.3 自動控制算法

該算法以設(shè)定壓力值和實際出水壓力值作為變量，思路是系統(tǒng)啟動后讓實際壓力值能夠快速的接近甚至達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)實際壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定壓力值就讓變頻器的頻率變化快，由于流動的水的一些特性，比如慣性，一直處于加速中的水壓即使變頻器的頻率不突變，水壓還會一直增加，因此需要在實際壓力值與設(shè)定壓力值在一定的范圍內(nèi)就開始逐漸減少變頻器頻率的變化值，避免了超調(diào)，當(dāng)實際壓力值達(dá)到設(shè)定壓力值時維持頻率不變。當(dāng)設(shè)定壓力值小于實際壓力值時，使實際壓力值達(dá)到設(shè)定壓力值時同樣要注意快速響應(yīng)、避免過度超調(diào)［10］。以上程序都是基于Sedona語言編寫的，水壓控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水壓控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件配置

3.2.1 控制器、I/O、變頻器的選擇

系統(tǒng)選取主控制器Sedona30P，以及與它配套的I/O設(shè)備，變頻器選擇的是施耐德ATV12，控制變頻器的輸出頻率由I/O設(shè)備模擬量輸出端輸出信號4－20MA控制，自動控制運算后的輸出頻率經(jīng)Modbus TCP Network輸入到30P的模擬輸入端，每個泵的變頻和工頻開關(guān)量通過Modbus TCP Network通信輸入到30P的開關(guān)量輸入端。

3.2.2 控制電路的設(shè)計

進(jìn)行控制電路的設(shè)計時，注意系統(tǒng)手動/自動切換，還有各個水泵的變頻接觸器和工頻接觸器在電氣上的連鎖，避免系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺水泵工頻和變頻電源同時接通變頻電源的現(xiàn)象。

3.2.3 系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)的界面包括運行概覽，如圖3所示;壓力查詢，如圖4所示;系統(tǒng)設(shè)置，如圖5所示等主要信息。運行概覽可以直觀的看出各個泵的運行狀態(tài)、實際出水壓力、設(shè)定壓力、變頻器的輸出頻率及有無報警等參數(shù);實時曲線直觀的顯示出實際壓力與設(shè)定壓力每秒的關(guān)系;系統(tǒng)設(shè)置便于進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改，比如修改設(shè)定壓力、變頻器輸出變換時間、切泵延時時間等。系統(tǒng)界面由組態(tài)軟件做的，通過TCP Network與控制器30P進(jìn)行通訊。

圖3 運行概覽

圖4 壓力查詢

圖5 系統(tǒng)設(shè)置

由實際壓力曲線和目標(biāo)壓力曲線的比較可知:無論增加水壓還是減少水壓、系統(tǒng)調(diào)整時間短、響應(yīng)速度較快、超調(diào)量微小、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)多采用PLC或單片機(jī)作為控制器，不能較好地實現(xiàn)邏輯復(fù)雜的控制程序，開發(fā)周期長，消耗人力和物力大。該供水系統(tǒng)利用Sedona平臺采用變頻調(diào)速運行方式，根據(jù)實際用水水壓的變化實時自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來加減泵，實現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能降耗。根據(jù)工作時間合理選擇工作泵大小，提高整個泵組的使用壽命。人機(jī)界面做在組態(tài)屏里，方便改變參數(shù)，整套系統(tǒng)經(jīng)過多種環(huán)境測試，運行情況良好、性能優(yōu)越、操作簡單。

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