基于物聯(lián)網(wǎng)的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王炯錫

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

1 恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 用水情況分析

根據(jù)某校校園各時(shí)間段總用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，實(shí)際用水高峰時(shí)間段大概在每天的6：00~8：00、17：00~18：00以及20：00~21：00，其他時(shí)候用水量相對(duì)較少，同時(shí)，水管管道壓力隨用水量升高而升高，隨用水量降低而降低。

1.2 恒壓供水控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

恒壓供水控制系統(tǒng)是指在水站中利用電機(jī)的調(diào)速裝置，調(diào)控水站中的各水泵及泵組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水站的調(diào)速運(yùn)行，并根據(jù)實(shí)際需求自動(dòng)調(diào)節(jié)各水泵及泵組的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，以便實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的孔隙水壓力發(fā)生變化后仍能保持平穩(wěn)的流量和節(jié)能的目的[1]。校園供水控制系統(tǒng)的真正目標(biāo)，在于實(shí)現(xiàn)管道出口水壓的平衡?？刂葡到y(tǒng)能夠根據(jù)通過管道的實(shí)際用水量和實(shí)際孔隙水情況，利用PID算法改變供水站中運(yùn)行系統(tǒng)的工作頻率，從而調(diào)節(jié)給水管網(wǎng)的水量及壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)校供水管網(wǎng)的恒壓功能。

在對(duì)某高等院校用水情況進(jìn)行分析后，初步設(shè)計(jì)該校園恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)具備以下要點(diǎn)：1）系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行；2）自動(dòng)、手動(dòng)都能實(shí)現(xiàn)控制供水；3）緊急制停功能；4）保證水壓合適；5）相關(guān)保護(hù)功能；6）自報(bào)警功能；7）儲(chǔ)存相關(guān)數(shù)據(jù)；8）監(jiān)控功能；9）降低用電能耗；10）備用系統(tǒng)等。

2 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由水泵、主電路、相關(guān)的頻率轉(zhuǎn)換器、測(cè)試壓力的設(shè)備以及PLC構(gòu)成，其中變頻器將系統(tǒng)內(nèi)電源的供電頻率轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)，而PLC則需要根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行閉環(huán)，調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，維持供水系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡[2]。供水系統(tǒng)在工作時(shí)通過水壓力變送器，將管道的壓力立即反饋給PLC，利用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，從而保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

其中，控制變頻器的方法主要有兩種，第一種為PAM方式，基本原理是利用整流和逆變，保持恒定的電壓以及固定頻率的電源，便于調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的電壓和相應(yīng)的頻率，一般來說，其整流和逆變之間的操作較為復(fù)雜，導(dǎo)致控制電路的難度加大，此種方法并不常用。第二種為PWM方式，主要是將輸出電壓以每半個(gè)周期為節(jié)點(diǎn)將其均分為上千個(gè)脈沖波，通過PWM中的平均電壓及其占空比的正變換關(guān)系將其輸送到逆變電路，就是使PWM控制系統(tǒng)內(nèi)部的反向元件從而調(diào)節(jié)電源的頻率，改變電壓占空比，最終將調(diào)節(jié)好的電壓與頻率的正弦電源變?yōu)檫m合供水系統(tǒng)使用的電源。PWM系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，電路的設(shè)計(jì)難度較低，被廣泛用于變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[3]。為了避免水泵低效率地運(yùn)行，需要調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率，在實(shí)際工作中將揚(yáng)程控制在高效區(qū)，降低水泵的速度，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力也會(huì)相應(yīng)地下降，系統(tǒng)在此種方式下還可以保持電動(dòng)機(jī)最大的工作效率，降低水、電等的消耗，一般來說，可以節(jié)約15%~50%的電能，節(jié)約15%~30%的水，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。總而言之，PLC變頻恒壓控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)相比，由于無需安裝水塔、水箱以及氣壓罐等裝置，能夠減少占地面積、節(jié)約成本，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響[4]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 人工方式

供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了解決當(dāng)前高層居民的供水不穩(wěn)定問題，具有高性能、投資小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，主要是將用戶所需要的供水壓力值與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的保護(hù)壓力值輸入系統(tǒng)內(nèi)部，令用戶實(shí)際需要的供水壓力值小于系統(tǒng)內(nèi)的保護(hù)壓力值，一旦壓力值過大，則供水系統(tǒng)能夠自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的安全。該系統(tǒng)主要是采取一對(duì)多的設(shè)計(jì)方案，即利用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)水泵。另外，由于系統(tǒng)中安裝了PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的控制，還可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的掃描，令系統(tǒng)內(nèi)部的資源使用效率達(dá)到最高，操作控制的系統(tǒng)主要有兩種運(yùn)行方式，即人工手動(dòng)控制以及CPU控制。在采取人工控制時(shí)，則可以任意地開啟或者關(guān)閉水泵，而且還可以任意地調(diào)整水泵的工作頻率，甚至在水泵工作時(shí)依舊可以調(diào)節(jié)頻率。需要注意同一時(shí)刻系統(tǒng)內(nèi)的三臺(tái)泵機(jī)，只能調(diào)節(jié)一臺(tái)泵機(jī)的頻率，受限于技術(shù)設(shè)計(jì)，人工操作無法保證出水管壓力的恒定，必須人為地進(jìn)行控制。因此人工手動(dòng)的操作方式主要被應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)初始狀態(tài)、性能，供水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的緊急維修，或者通過調(diào)節(jié)頻率，檢測(cè)水泵的速度[5]。

3.2 CPU控制

供水系統(tǒng)處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，通常采取自動(dòng)化的運(yùn)行方式，在該模式下，供水系統(tǒng)保持較高水平的自動(dòng)化程度，工作人員按下系統(tǒng)內(nèi)部的啟動(dòng)鍵，系統(tǒng)內(nèi)部則將自動(dòng)賦值，根據(jù)當(dāng)前用戶的實(shí)際用水量調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以及具體應(yīng)用的水泵數(shù)量，有助于提高供水系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)器利用效率，保障每臺(tái)水泵最大程度地發(fā)揮作用。系統(tǒng)的內(nèi)部還設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)生故障，立即報(bào)警，同時(shí)將故障信息和位置傳送到顯示屏，便于工作人員進(jìn)行故障維修，節(jié)省了工作人員的故障排查時(shí)間，提高了維修的效率和質(zhì)量，保障了供水系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。此外，如果系統(tǒng)內(nèi)部的故障直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，則CPU將立即發(fā)出報(bào)警信息，系統(tǒng)自動(dòng)停止，能夠起到良好的系統(tǒng)保護(hù)效果[6]。一旦斷電導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，憑借系統(tǒng)供水網(wǎng)之間的壓力值，低樓層的居民依舊能夠獲得用水。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的恒壓供水控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 手動(dòng)控制

恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)內(nèi)部的程序控制、擋位設(shè)計(jì)、PID程序運(yùn)算設(shè)計(jì)以及增泵功能的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在開始工作前，需要進(jìn)行初始化，判斷壓力傳感器輸送的信號(hào)能否滿足水泵的運(yùn)行條件。當(dāng)管道內(nèi)部的壓力大于壓力的上限時(shí)，則系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)減少水泵的數(shù)量；一旦管道內(nèi)部的壓力小于壓力的下限，則自動(dòng)增加水泵的工作數(shù)量。其中，PLC系統(tǒng)按照管道的壓力值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，PLC變頻恒壓系統(tǒng)的軟件主要有兩種控制方式，即自動(dòng)控制方式與手動(dòng)控制方式。其中手動(dòng)控制方式主要是利用PLC系統(tǒng)中的手動(dòng)操作界面，輸入按鈕從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備的控制，而且手動(dòng)控制還可以同時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)內(nèi)部三個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)，不受系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯限制，也無需考慮壓力傳感器傳回的信號(hào)[7]。

4.2 自動(dòng)控制

自動(dòng)控制方式則是先分析供水系統(tǒng)檢測(cè)到的傳感器狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)整個(gè)控制設(shè)備的啟動(dòng)、停止、調(diào)速、頻率，作為控制閉環(huán)設(shè)備的依據(jù)。其主要的設(shè)計(jì)原理是利用壓力設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的水位值，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為20 V~25 V的電壓，同時(shí)將其傳送至控制器，進(jìn)行A/D的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后輸送給PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，數(shù)字信息在PLC中被分析、比較、存儲(chǔ)。系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)際值與PLC系統(tǒng)的設(shè)定值之間存在一定的誤差，可以利用該差值調(diào)節(jié)電源的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出頻率的控制，有助于調(diào)節(jié)整個(gè)電動(dòng)機(jī)組的工作，最終令整個(gè)供水系統(tǒng)不斷地進(jìn)行信息采集、分析、處理等過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制[8]。例如，自動(dòng)啟動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)開始自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的數(shù)據(jù)與函數(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC和其他設(shè)備的連接，確保系統(tǒng)的硬件能在軟件的控制下執(zhí)行各個(gè)指令。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)及時(shí)地進(jìn)行故障的檢查與提示是較為重要的工作，一旦系統(tǒng)內(nèi)部的程序檢測(cè)到異常故障，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行故障提示并且在屏幕上顯示故障位置，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行維修，保證供水系統(tǒng)的供水安全、穩(wěn)定。同時(shí)，利用系統(tǒng)程序設(shè)置的水壓值與外部水壓實(shí)際值之間的差值，控制水泵機(jī)組的電源工作頻率，令系統(tǒng)的電壓保持恒定，保證供水量?？偠灾?，PLC與變頻器恒壓供水系統(tǒng)主要通過自動(dòng)方式進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)變頻速率控制泵機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高當(dāng)前的供水效率與質(zhì)量，保障供水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)還能有效地降低能耗。因此，推廣使用PLC變頻恒壓系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)居民用水的安全、穩(wěn)定具有重要的使用價(jià)值[9]。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和技術(shù)

5.1 物聯(lián)網(wǎng)在PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)中的編程概述

PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是通過編程來對(duì)不同的組件進(jìn)行控制，對(duì)于供水系統(tǒng)來講，PLC控制系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際的供水系統(tǒng)參數(shù)模型來分析處理數(shù)據(jù)，從而推斷出實(shí)際的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，再將指令發(fā)送給供水設(shè)備來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理供水系統(tǒng)。因此，在設(shè)備生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)之前對(duì)實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行管理，才能讓設(shè)備在投入使用的時(shí)候更加安全和穩(wěn)定。從人工控制轉(zhuǎn)到智能控制，不僅帶動(dòng)了供水系統(tǒng)的發(fā)展，還能將供水系統(tǒng)的衍生行業(yè)和自配套設(shè)施聯(lián)合起來，做到更加優(yōu)越、功能齊全的供水系統(tǒng)，并且在硬件方面也能做到簡(jiǎn)化和縮小，可以進(jìn)行簡(jiǎn)易的安裝和維護(hù)工作，為后期的供水生產(chǎn)自動(dòng)化提供便利[10]。

5.2 物聯(lián)網(wǎng)在PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)中的編程分類

在PLC領(lǐng)域有諸多編程種類，編程種類可以按照型號(hào)和輸入的PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分為小型數(shù)據(jù)、中型數(shù)據(jù)和大型數(shù)據(jù)，小型數(shù)據(jù)一般用于設(shè)備開關(guān)的控制，它可以包含一部分的邏輯算法和定時(shí)等功能；中型數(shù)據(jù)主要用于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，也是在PLC數(shù)據(jù)中占比較大的一部分?jǐn)?shù)據(jù)；大型數(shù)據(jù)的分析需要結(jié)合通信和網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行，目前物聯(lián)網(wǎng)的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)在小型數(shù)據(jù)、中型數(shù)據(jù)和大型數(shù)據(jù)的分析上已經(jīng)較為完善。PLC的編程分類還有一種就是按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分類，例如整體結(jié)構(gòu)雖然在運(yùn)行和操作上比較方便，但是在后期的維護(hù)過程當(dāng)中會(huì)有一定的難度，因?yàn)槊恳粋€(gè)組件都有自己不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障的時(shí)候還有可能對(duì)其他裝置系統(tǒng)造成干擾，物聯(lián)網(wǎng)PLC自動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)方面是對(duì)單獨(dú)控制的系統(tǒng)進(jìn)行編程，模塊結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化配置在使用的時(shí)候較為靈活，可以根據(jù)實(shí)際的使用場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性的程序分配，具有較強(qiáng)的自動(dòng)化控制能力。

5.3 加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)與PLC技術(shù)的融合發(fā)展

從PLC技術(shù)出發(fā)，新技術(shù)的引入肯定會(huì)改善傳統(tǒng)的供水方式，PLC新技術(shù)給供水系統(tǒng)帶來了不一樣的前景，并且物聯(lián)網(wǎng)與PLC技術(shù)已經(jīng)步入了成熟階段。在自動(dòng)化控制領(lǐng)域已經(jīng)可以滿足部分行業(yè)要求，自動(dòng)化編程技術(shù)也在微處理器方面取得了不錯(cuò)的成就，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行廣泛推廣和使用提供了可靠的依據(jù)。