摘 要：本文以臨清市自來水廠為例，設(shè)計了一套城市供水控制系統(tǒng)方案。系統(tǒng)集通信、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線、PLC、計算機、微波通訊及自動化、遠(yuǎn)程控制等諸多先進技術(shù)于一體，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)和自動化技術(shù)在城市供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。尤其詳細(xì)介紹了變頻器在系統(tǒng)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線，遠(yuǎn)程監(jiān)控，供水系統(tǒng) Abstract：The article is based on the real project, and designs a long-distance water supply control system for Linqing City. The project comprises the pump station control system, network, communication，computer center in the waterworks, the long-distance monitor of the water conservancy and the wired and wireless net transmission system ,and details the technique about the frequency converter in the systerm. Keywords: Process field Bus, Long-distance monitor, Water supply system 1.引言 　　近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）有175.7升增加到241.1升，增長了37.2%[1]，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成很多城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗進行人工手動調(diào)節(jié)很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時水位達不到要求,供水壓力不足，用水低峰期時供水水位超標(biāo),壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。 　　本文以臨清市自來水廠為例，設(shè)計了一套城市供水控制系統(tǒng)方案。整個供水系統(tǒng)主要包括兩大部分：水源地引水采集系統(tǒng)及水廠恒壓輸水系統(tǒng)。 　　水源地引水采集系統(tǒng)主要由6組現(xiàn)地供水井群組成。每組供水井群由一個現(xiàn)地井群集中控制室及5眼水井組成,每眼水井有一現(xiàn)地控制井房?，F(xiàn)地井群集中控制室設(shè)有本組水井高低壓配電系統(tǒng)及本組水泵啟停集中控制系統(tǒng)。5眼水井分別為1眼深井及4眼淺井，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#井，其中1#及2# 井分布在集中控制室，3、4、5#井以集中控制室為中心呈分布式分布。臨清市第二水廠主要由總控室中心控制系統(tǒng)、高低壓配電系統(tǒng)、蓄水池、加藥泵房、二泵房組成。其中總控室中心控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。二泵房共有4臺供水泵組成，其中50KW變頻泵2臺，75KW變頻泵2臺，主要完成對臨清市的變頻恒壓供水;總控室中心控制系統(tǒng)作為整個供水系統(tǒng)的監(jiān)控調(diào)度中心，負(fù)責(zé)整個供水系統(tǒng)的5臺輸水泵及30眼水井泵的集中調(diào)度與控制。 2.控制系統(tǒng)構(gòu)成 　　系統(tǒng)采用德國Siemens PLC（可編程序控制器）S7 200作為現(xiàn)場級測控設(shè)備，選用了帶PROFIBUS接口的PLC S7-300為主站，它為每一個現(xiàn)場級站點分配一個地址，在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站點交換信息，采用Simatic WinCC作為上位監(jiān)控軟件?？偪厥抑行目刂葡到y(tǒng)選用帶PROFIBUS-DP網(wǎng)卡（CP5611）接口的工控機WINCC為總主站，通過Profibus現(xiàn)場總線與二泵房控制單元中的S7-314和井群中心控制單元中的S7-314相連。其中，以井群中心控制單元中的S7-314為主站，井群現(xiàn)地控制單元中的S7-314為從站（此為電臺通信）;以井群現(xiàn)地控制單元中的S7-314為主站，單井控制單元中的是S7-222為從站，形成了多級遠(yuǎn)程分布式控制系統(tǒng)。它通過二泵房控制單元中的S7-314在每一個信息周期內(nèi)收集變頻器狀態(tài)、閥門狀態(tài)、壓力、流量、水位等信息，把這些信息傳送到PC機，并把PC機的優(yōu)化信號送回，控制各水泵的啟停及轉(zhuǎn)速，配合閥門的控制達到優(yōu)化的目的。它通過井群中心控制單元中的S7-314控制水源地各水泵的啟停。系統(tǒng)集通信、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線、PLC、計算機、微波通訊及自動化、遠(yuǎn)程控制等諸多先進技術(shù)于一體，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)和自動化技術(shù)在城市供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 3.變頻調(diào)速恒水位控制系統(tǒng)的應(yīng)用 3.1變頻器的控制方式 　　變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾經(jīng)出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖3—1所示的基本結(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖3-1變頻器的基本結(jié)構(gòu)[/align] 　　變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。 　　1、V/F控制 　　異步電動機的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率f和極對數(shù)有關(guān)，改變f 就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變f的同時，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優(yōu)良。 　　2、轉(zhuǎn)差頻率控制 　　由電機學(xué)的基礎(chǔ)知識可知，異步電動機轉(zhuǎn)矩M與氣隙磁通Φ、轉(zhuǎn)差頻率f2的關(guān)系為： 　　（2-1） 　　只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉(zhuǎn)差頻率f2就可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。 　　3、矢量控制 　　矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能。 3.2變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理 　　一、水泵工況點的確定以及變化 　　水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。 　　如果把某一水泵的性能曲線（即H-Q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標(biāo)系中（圖3-2），則這兩條曲線的交點A,就是水泵的工作點。 工作點A是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在A點。若把水泵的效率曲線η-Q也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖3-2中可以找出A點的揚程HA、流量QA以及效率hA。 　　從圖3-2中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工作點一定要保證水 [align=center] 圖3-2 水泵工作點的確定[/align] 　　工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計和運行管理中一個重要問題。 　　在變頻調(diào)速恒水位供水過程中，水泵工況點的變化如圖3-3所示： [align=center] 圖3-3水泵工況點的變化[/align] 　　當(dāng)P1、P2高于P0時，說明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線A1、A2 向A0方向變化，此時水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由P2、P1逐漸下降，當(dāng)P’ 低于P0時，其工況點變化與上述相反即由A1’逐漸向A0移動，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。 [align=center] 圖3-4水泵變速恒壓工況[/align] 　　根據(jù)3-4圖水泵變速恒壓工況分析：當(dāng)管網(wǎng)用水由Q2、Q1….向Q0移動時，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使P0保持恒定。 　　二、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過程 　　交流電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系： 　　n =60 f（1-s）/p （2—2） 　　式2—2中：　p¾極對數(shù),s¾轉(zhuǎn)差率 　　因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 　　當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從n1降低到n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速n,可使供水泵流量Q、揚程H和軸功率N以相應(yīng)規(guī)律改變[37]。 　　Q1/Q2=n1/n2 （2—3） 　　H1/H2=（n1/n2）[sup]2[/sup] （2—4） 　　P1/P2 =（n1/n2）[sup]3 [/sup]（2—5） 　　或 H =KQ[sup]2[/sup] （2—6） 　　式2—6是頂點在坐標(biāo)原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 　　在變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖3-5來說明。 [align=center] 圖3-5 變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖[/align] 　　由上圖可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚程）為H0，管網(wǎng)初始用水量為QA，初始工況點為A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為n1，工作點A的軸功率即為AH0OQA四點所圍的面積。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉(zhuǎn)速至n2,水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點A移至B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應(yīng)減小.。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在H0,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速n2所對應(yīng)的水泵性能曲線從點B移至C點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點C點，在圖中可以找出C點的揚程HC、流量QC以及效率hC ，工作點C的軸功率即為CH0OQC四點所圍的面積。 　　考察水泵的效率曲線h-Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。 　　三、變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定 　　考察水泵的效率曲線h-Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當(dāng)選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負(fù)載率在50%-100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 3.3系統(tǒng)的方案設(shè)計 　　變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機的起動、運行與調(diào)速，其中兩臺大機（75KW）和兩臺小機（55KW）分別采用循環(huán)使用的方式運行。PLC上接工控計算機，水位傳感器采樣水池水位信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的模糊模塊,PLC根據(jù)這兩個信號經(jīng)模糊運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。PLC上接工控計算機，上位機裝有監(jiān)控軟件，對恒水位供水系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。 3.4系統(tǒng)工作過程 　　根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，白天一般只需開動一臺大泵和一臺小泵，就能滿足生產(chǎn)需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵;晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進行設(shè)計，即把1#水泵電機（50KW）和2#水泵電機（75KW）為一組，3#水泵電機（50KW）和4#水泵電機（75KW）分為一組。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。 　　分析自動控制系統(tǒng)的機組Ⅰ（1#、2#水泵電機）工作過程,可分為以下三個工作狀態(tài)：1） 1#電機變頻起動;2）1#電機工頻運行，2#電機變頻運行;3） 2#電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水位發(fā)生變化時，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對應(yīng)著三個切換過程。 　　1.切換過程Ⅰ 　　1#電機變頻起動，頻率達到50HZ,1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，水池水位低于設(shè)定水位下限hl，按下相應(yīng)的按鈕,選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下, KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟起動，1#電機起動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻f0（即50HZ），可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后,開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端,接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開,2#電機開始軟起動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到水池水位達到設(shè)定值為止。 　　2.切換過程Ⅱ 　　由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機單獨變頻運行狀態(tài)。 　　當(dāng)晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值f[sub]min[/sub]，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限Ph時（2# 電機f=f[sub]min[/sub],P>Ph）,在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機從工頻斷開，2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。 　　3.切換過程Ⅲ 　　由2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻f0（即50Hz），水池水位低于設(shè)定水位上限H時，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開， KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開; KM2得電,1#電機接至變頻器輸出端;接通變頻器FWD端,與此同時變頻器BX端斷開,1#電機開始軟起動。控制系統(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。 　　在PLC程序設(shè)計中，必須認(rèn)真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。 　　1#和2#機組工作過程流程圖如下： [align=center] 圖3-6機組Ⅰ工作過程流程圖[/align] 　　若選擇機組Ⅱ（3#和4#水泵電機）運行，其工作過程和上面類似。 4.結(jié)束 　　該控制系統(tǒng)將PLC、變頻器、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并設(shè)計了配套的界面美觀、操作方便的自動控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析等方面的工作量。實踐證明，系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)約用電一項就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。由于中小型自來水廠的自動化技術(shù)改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值。 參考文獻 　　1. 王效良 馬思樂《集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用》 1998.5 　　2. 陽憲惠，現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 1999.6 　　3. 張燕賓 SP WM 變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)（第二版）[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2002 　　4. 韓安榮 ，通用變頻器及應(yīng)用[M]。機械工業(yè)出版社，2000. 　　5. 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