管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)的設計與研究

趙孝武

摘 要 管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)是一個包含了水泵機組、控制單元、降壓保護裝置以及管路系統(tǒng)等功能模塊的綜合控制系統(tǒng)，提升管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)對于降低能源消耗、提升二次供水系統(tǒng)的效率以及降低對環(huán)境的污染等有至關重要的作用。因此本文在前人研究的基礎上對供水控制系統(tǒng)的基本原理和功能特點進行了系統(tǒng)的介紹，并重點針對控制方案和硬件設備、控制系統(tǒng)的組成和程序設計等幾個方面探究了管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案，希望對我國供水系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供一定的理論支持。

關鍵詞 管網(wǎng)；疊壓供水系統(tǒng)；智能化；PLC；供水系統(tǒng)；設計

中圖分類號 F3 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）08-0057-02

水資源是人類生產(chǎn)和生活賴以繼續(xù)的根本，在當今城市工業(yè)和生活用水日益緊缺的嚴峻形勢下，提升水資源的利用效率，同時降低對環(huán)境的污染是當前政府能源規(guī)劃部門和水利公司關心的焦點問題，另外，作為城市規(guī)劃中的重要影響因素之一，水資源的管理和分配也成為城市發(fā)展布局中的重要元素，應該引起全社會的共同關注。管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)的基本原理就是在城市供水管網(wǎng)壓力允許的情況下，取消現(xiàn)有的水池和高位水箱，疊加市政供水的剩余壓力，并直接從供水網(wǎng)管中取水加壓。該供水系統(tǒng)可以加強對供水剩余壓力的利用效率，從而在降低能耗的同時減少環(huán)境污染，并實現(xiàn)供水控制系統(tǒng)的智能化和高效化。但是該技術系統(tǒng)在我國的發(fā)展時間較短，目前全國各地還沒有形成統(tǒng)一的工作規(guī)范和基本的工作制度，且沒有形成良好的市場競爭，這些都是今后市政供水系統(tǒng)重點關注的焦點內(nèi)容。

1 管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)的組成和工作原理分析

1.1 系統(tǒng)組成

管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)是在變頻調速供水的工作方式上發(fā)展起來的，因為其疊加了市政管網(wǎng)供水系統(tǒng)的剩余壓力，故而得名。疊壓供水系統(tǒng)由于去掉了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)中的高位水箱和水池，因而避免了二次供水造成的資源浪費和環(huán)境污染，同時還節(jié)省了大量的內(nèi)部空間，因而具有廣泛的推廣和應用價值。從基本構成上來看，疊壓供水系統(tǒng)主要由壓力傳感器、數(shù)控柜、穩(wěn)流罐、變頻泵、壓力傳感器以及止回閥、負壓補償器和支架等部分構成，其組成流程圖1。

1.2 控制原理

由于疊壓供水系統(tǒng)采用的是恒壓變頻控制系統(tǒng)，因此其變頻控制算法采用的是PID算法。PID控制系統(tǒng)以其操作簡單、算法簡便、系統(tǒng)功能完備以及適應性好的特點被廣泛的應用到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領域，并成為自動控制領域發(fā)展歷史最長、應用范圍最廣以及好評度最高的自動控制系統(tǒng)。同時，PID控制系統(tǒng)只需要利用簡單的硬件和軟件系統(tǒng)就可以實現(xiàn)基本的工業(yè)生產(chǎn)需求，因而是眾多工業(yè)領域尤其是自動化控制領域中的基礎應用系統(tǒng)之一。另外為了更好地滿足設計需求，并保證恒定的工業(yè)和生活用水壓力值，本文中采用帶有PID自動調節(jié)模塊的變頻器來實現(xiàn)基本的供水控制需求，從而保證供水工業(yè)領域的發(fā)展。

PID控制調節(jié)器的基本工作原理如下：通過給定的壓力輸入值r（t）和輸出值y（t）之間的差值e（t），然后通過一系列的微分、積分和比例運算再通過線性擬合和線性組合求出系統(tǒng)的控制量u（t），最后通過控制量調解輸出值，將目的偏差函數(shù)e（t）調節(jié)成零，使得輸入值和輸出值之間達到理想的平衡，繼而達到穩(wěn)定輸出的最終效果。自從信息技術和數(shù)字技術進入到自動控制系統(tǒng)以來，微處理器技術就逐漸代替了模擬處理技術，同時微處理器技術也成為PID控制系統(tǒng)中的基本控制技術。從本質上來說，PID控制算法是通過對下式進行離散化處理來實現(xiàn)的：

式中：KP為比例常數(shù)；Tl為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

2 控制方案和硬件系統(tǒng)的選擇

本文中設計的主要原則和基本思路是通過控制單元讓變頻器控制多臺水泵同時工作，同時還實現(xiàn)了輸出水壓的恒定、水泵系統(tǒng)的軟啟動和供水頻率的調節(jié)，因此具有穩(wěn)定、安全和控制簡單的特點。因此選用PLC+變頻器+上位機+水泵系統(tǒng)+壓力傳感器的工作模式即可滿足基本的工作需求。同時系統(tǒng)還提供了完備的信息交互和自動控制功能，當出水口壓力發(fā)生變化時可以第一時間通過控制系統(tǒng)的及時反饋調節(jié)工作模式，并對變頻器和水泵的工作狀態(tài)進行調節(jié)，保證穩(wěn)定的供水輸出。

2.1 可編程PLC設備的選取

可編程的PLC系統(tǒng)是整個疊壓供水系統(tǒng)的核心和關鍵，并起到了關鍵的控制中樞的作用，因而在PLC設備的選取過程中應該盡量保證系統(tǒng)的合理性和適應性，保證供水控制工作的順利進行。同時大部分的PLC設備都有可編程功能，將控制系統(tǒng)運行的程序放在系統(tǒng)中的存儲器中，并利用基本程序完成邏輯控制，保證整個控制系統(tǒng)的順利進行。通常來說PLC設備具有控制簡單、可靠性高、通用性強和功能相對完善的典型特征，可以滿足基本的供水系統(tǒng)工作需求。目前市面上的可編程PLC設備有上百種之多，他們型號各異，功能特征也不近相同，如西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC設備具有可靠性高、硬件穩(wěn)定性好、體積小以及性價比高的特點，是目前我國各地區(qū)自來水供水企業(yè)自動控制系統(tǒng)中的主要應用型號之一。另外，在選用了西門子公司的S7-200型PLC設備之后，再綜合比較各型號的CPU的功能指標，發(fā)現(xiàn)CPU226具有邏輯運算速度高、穩(wěn)定性好等特征，可完美地進行邏輯判斷、處理存儲和處理、子程序的調用以及中斷操作，故此在本文中采用該型號的CPU進行自動控制系統(tǒng)的構建。

2.2 變頻器的選型

對于用水需求較為普通的用戶，對于水泵機組的功率和負載要求不是很高，這時通過選擇性能一般的水泵就可以滿足工業(yè)需求。變頻器的基本工作性能可以用額定容量、電機功率和額定電流等3個要素來衡量。為了滿足中型城市的基本用水需求，本文中選用了西門子公司生產(chǎn)的MM430型號的變頻器來參與系統(tǒng)設計。

西門子公司生產(chǎn)的MM430變頻器內(nèi)置PID控制調節(jié)器，可用于簡單的系統(tǒng)控制，同時變頻器具有六位的編程器，可以通過人工編碼實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的個性化和功能性控制。另外，MM430編碼器具有兩個模擬量輸入端和兩個模擬量輸出端以及兩個可編程的繼電器輸出，可滿足基本的系統(tǒng)控制需求，因而具有廣泛的應用前景。

2.3 上位機的選型

隨著智能控制技術和設備的不斷發(fā)展，觸摸屏控制設備已經(jīng)逐漸代替了傳統(tǒng)的PC控制設備，同時與傳統(tǒng)的PC控制方式相比，觸摸屏控制方式具有簡單方便、工作效率高、安全性和穩(wěn)定性高等特點，工作人員只要輕輕觸摸觸摸屏上的相關文字或是圖形就可以實現(xiàn)相應的控制功能，極大地提升了工作效率，對于那些對計算機控制系統(tǒng)不是很熟練的技術人員來說無疑是一個利好的消息。

從兼容性和統(tǒng)一性的角度考慮，本文中使用到的上位機設備也從西門子公司采購。通過縱向和橫向的比較，選用了西門子K-TP？178型號的上位機。該上位機是S7-200PLC設備的專用顯示和觸摸屏，該觸摸屏的大小為5.7英寸藍色4級灰度顯示屏，開機和響應時間均較短，無論是大小和基本性能都可以滿足供水系統(tǒng)顯示和控制的實際需要。同時該觸摸屏還具有防振動、防塵、防水以及魯棒性高的特點，與之配套的Wincc？flexible軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈敏性都較高，可以最大限度地保證日?？刂乒ぷ鞯捻樌M行。

2.4 壓力傳感器的選型

壓力傳感器也是疊壓供水系統(tǒng)中的基本組成元素之一，其基本工作原理是通過壓敏材料將壓力信號轉化成1-5V/4-20mA的模擬電信號，并通過信息傳輸裝置將這種模擬信號傳輸?shù)絇LC設備中，然后PLC根據(jù)基本的邏輯和判斷運算發(fā)出正確的操作指令。實際選用中為了降低干擾信號的影響，同時降低信號失真現(xiàn)象的發(fā)生，并最大限度地與PLC設備兼容，本文中選用了丹佛斯公司生產(chǎn)的額定輸出電流在4～20mA之間的電流型號的壓力傳感器。

3 控制系統(tǒng)的組成和程序設計

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)上文中提到的疊壓控制系統(tǒng)的基本硬件結構和所確立的基本控制方案，該系統(tǒng)的系統(tǒng)構成主要由以下幾方面組成：PLC控制器、變頻器（MM430）、壓力傳感器和觸摸屏等。其中PLC控制器、變頻器和壓力傳感器等構成系統(tǒng)的信息控制部分，觸摸屏是整個疊壓系統(tǒng)的顯示和控制部分，這兩部分協(xié)同工作共同完成管網(wǎng)疊壓供水控制。另外，PLC控制系統(tǒng)是整個疊壓控制系統(tǒng)的核心與關鍵，通過可編程系統(tǒng)的邏輯運算達到平衡出水壓力的目的。變頻器進行變壓調節(jié)，實現(xiàn)閉環(huán)自動調節(jié)出口壓力保持恒定，最終達到控制流量的目的。

3.2 控制系統(tǒng)的邏輯設計

從實際工作需求和系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)功能來看，其PLC控制系統(tǒng)的內(nèi)部程序功能，主要分為以下幾個方面：系統(tǒng)初始化、控制水泵機組、系統(tǒng)啟停、壓力頻率比較計算以及報警功能等。其中控制水泵機組的程序又綜合控制著電機的啟停、工作頻率的改變和電機的切換等基本工作程序，壓力和頻率的比較計算也綜合控制著模擬量初始化和模擬量數(shù)據(jù)處理兩個方面。通過疊壓供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構圖可以清楚地了解各個子程序之間的連接關系和隸屬關系，使得系統(tǒng)的設計和維護更加方便，從而更好地完成對供水系統(tǒng)的結構和功能設計。

控制系統(tǒng)的工作模式如下：疊壓供水系統(tǒng)完成初始化后，首先由檢測系統(tǒng)對實際供水壓力進行檢測，如果檢測的供水壓力小于市政供水壓力的下限值，將直接控制報警系統(tǒng)對工作人員進行警示，然后計算壓力設定值和實際市政供水壓力值之間的差值，如果設定壓力值小于實際供水壓力值，則差值為正，否則為負。這個壓力差值經(jīng)過運算后可以轉換成相應的頻率變量，將其與變頻器的輸出值相加而成為變頻器當前應輸出的頻率。通過該計算頻率實現(xiàn)對水泵機組轉速和轉矩的實際操控，達到穩(wěn)定輸出供水壓力的作用和效果。然后重復上述步驟，通過系統(tǒng)的內(nèi)部調節(jié)和設定，達到壓力設定值和實際輸出值之間的平衡關系，實現(xiàn)供水壓力的穩(wěn)定輸出。另外，當水泵的轉動頻率達到水泵的上限或是下限時，這時為了保護系統(tǒng)需要和保護水泵機組不受損壞，應該通過PLC控制系統(tǒng)的相關功能控制增加或減少參與工作的水泵數(shù)量，維護系統(tǒng)的正常運行。

4 結論

綜上所述，供水系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)是市政部門工作的重點和難點，管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)中由于去除了水池和高位水箱，從而實現(xiàn)了能源的充分利用并有效降低了環(huán)境污染，對于促進市政建設水平具有至關重要的意義和作用。本文根據(jù)工程實際設計了一套基于PLC的管網(wǎng)疊壓供水控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)多臺水泵的控制和恒壓調速。系統(tǒng)采用壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力，后經(jīng)過PLC進行PID控制運算處理后變成變頻器頻率，通過變頻器來調節(jié)電機轉速從而實現(xiàn)出口恒壓供水。

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