【摘要】

　　本文以水廠蓄水池水位及對(duì)城市供水的出水口壓力為最終控制對(duì)象，對(duì)遠(yuǎn)程水源地各水井泵的引水及變頻泵的對(duì)外供水進(jìn)行總體協(xié)調(diào)控制，使其運(yùn)行在最合理、最節(jié)能、最高效的情況下，來(lái)保證蓄水池水位為最合理水位以及出水口壓力為最合理壓力。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將大大提高遠(yuǎn)程輸水的自動(dòng)化程度，保證供水的質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：PLC 變頻 恒壓供水 自動(dòng)化

　　1 引言

　　實(shí)現(xiàn)城市21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，水資源是重要保障條件。只有加強(qiáng)水資源的統(tǒng)一管理，合理開(kāi)發(fā)利用，才能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。目前我國(guó)泵站效率低，供水運(yùn)行仍處于較落后的管理狀態(tài)，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要。供水網(wǎng)絡(luò)引入計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，提高泵站管理水平，采用供水優(yōu)化調(diào)度，不僅能節(jié)省大量能源，而且使管網(wǎng)能在合理的狀態(tài)下運(yùn)行，既保證供水的要求，也能使管網(wǎng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。因此，如何科學(xué)地規(guī)劃新的或改建舊的供水系統(tǒng)，如何科學(xué)地進(jìn)行供水調(diào)度，是擺在人們面前的一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

　　國(guó)外的供水系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)營(yíng)普遍利用計(jì)算機(jī)完成，這一系統(tǒng)稱之為監(jiān)控系統(tǒng)。其功能是通過(guò)遙訊系統(tǒng)，把應(yīng)保證的供水系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)際壓力值遙測(cè)采集到監(jiān)控中心，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、預(yù)測(cè)和決策，然后遙控調(diào)整供水，來(lái)保證供水系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)達(dá)到水量保證值。同時(shí)在供水系統(tǒng)發(fā)生爆管、漏水等事故時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)行分析做出合理的處理決策，以保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)營(yíng).

　　2 系統(tǒng)概述

　　整個(gè)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(gè)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(hào)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。

　　現(xiàn)地6組井群共30眼井的引水通過(guò)20余公里的輸水管線輸送到水廠，再由供水泵群給城市居民供水。

　　水廠控制網(wǎng)絡(luò)主要由總控室中心、高低壓配電系統(tǒng)、蓄水池、加藥泵房、二泵房組成。其中總控室中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心。二泵房共有5臺(tái)供水泵組成，其中55KW變頻泵1臺(tái)，75KW變頻泵2臺(tái)，75KW軟啟泵2臺(tái)，主要完成對(duì)城市的變頻恒壓供水；總控室中心作為整個(gè)供水系統(tǒng)的監(jiān)控調(diào)度中心，負(fù)責(zé)整個(gè)供水系統(tǒng)的5臺(tái)輸水泵及30眼水井泵的集中調(diào)度與控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　3.1設(shè)計(jì)依據(jù)

　?。?）系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為5萬(wàn)噸/24小時(shí)，平均供水2083.3立方米/小時(shí)；

　　（2）水源地有30個(gè)水泵供水，其中6臺(tái)水泵分別由30KW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，24個(gè)水泵由11KW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)；

　?。?）水廠有2個(gè)5000立方米的蓄水池，共計(jì)10000立方米；

　　（4）最終控制對(duì)象是水廠蓄水池水位及出水口壓力；

　?。?）水源地與自來(lái)水廠蓄水池的距離為20公里；

　?。?）每個(gè)單井泵的運(yùn)行要求有手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制三種方式；

　?。?）每5個(gè)單井為一個(gè)井群，每一井群設(shè)一本地集中控制室，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各單井泵的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)泵群的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行；

　?。?）水廠設(shè)一總控室，作為遠(yuǎn)程監(jiān)控站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理和調(diào)度。

　　3.2設(shè)計(jì)原則

　?。?）先進(jìn)性原則：控制方案功能強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)、合理。采用先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，選用先進(jìn)成熟的技術(shù)和設(shè)備及軟硬件平臺(tái)，營(yíng)造高起點(diǎn)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用環(huán)境，使系統(tǒng)能隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷平滑升級(jí)。

　　（2）安全性、可靠性原則：設(shè)備運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定。方案中所選擇的每個(gè)元件和設(shè)備其MTBF必須滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求；設(shè)備應(yīng)具有自檢、自診斷功能；系統(tǒng)應(yīng)能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，避免發(fā)生事故，局部故障不造成錯(cuò)誤輸出，并能自動(dòng)報(bào)警；現(xiàn)地單井站應(yīng)具有必要的冗余配置；信息采集及控制輸出，要考慮多重軟件硬件閉鎖。

　?。?）實(shí)用性原則：應(yīng)充分考慮利用資源，能使用戶最方便地實(shí)現(xiàn)各種功能。實(shí)現(xiàn)供水泵運(yùn)行優(yōu)化合理調(diào)度；充分考慮用戶的使用頻度和應(yīng)用程度，設(shè)置系統(tǒng)控制流程、合理設(shè)計(jì)存儲(chǔ)和服務(wù)體系，使操作、維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

　?。?）經(jīng)濟(jì)性原則：采用最合理的方案，最大程度的保護(hù)廠方原有的投資。使設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低；達(dá)到最優(yōu)的性能/價(jià)格比。

　?。?）開(kāi)放性原則：系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用開(kāi)放技術(shù)、開(kāi)放結(jié)構(gòu)、開(kāi)放系統(tǒng)組件和開(kāi)放用戶接口，以利于網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、擴(kuò)展升級(jí)及外界信息的溝通，易于擴(kuò)展，以降低二次投資。

　?。?）靈活性原則：采用積木式模塊組合和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)配置靈活，滿足系統(tǒng)逐步到位的建網(wǎng)原則，使網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的可增長(zhǎng)性和強(qiáng)壯性，。

 

　　3.3設(shè)計(jì)思路

　　水廠水源地引水及變頻恒壓供水系統(tǒng)總體按以下幾部分來(lái)設(shè)計(jì)：

　?。?）水源地取水。在水源地分布有30眼水井，由30臺(tái)水泵進(jìn)行輸水。每臺(tái)水泵的引水啟停、運(yùn)行時(shí)間分為三種方式控制：手動(dòng)、本地集中及遠(yuǎn)程。手動(dòng)控制：即水泵的啟停完全由人工現(xiàn)場(chǎng)控制；本地集中：即水泵的啟停受本組井群的本地集中控制系統(tǒng)控制；遠(yuǎn)程：即水泵的啟停受遠(yuǎn)程中心控制系統(tǒng)的總體控制。

　　本部分主要又分以下幾個(gè)單元：

　　a.現(xiàn)地站單井控制系統(tǒng)；

　　b.現(xiàn)地站井群控制系統(tǒng)；

　　c.上位中心控制系統(tǒng)；

　　d.現(xiàn)地站網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)；

　　e.中心站與現(xiàn)地站無(wú)線網(wǎng)路通訊系統(tǒng)。

　?。?）水廠蓄水。水廠將水源地來(lái)水蓄積在2個(gè)蓄水池內(nèi)，每個(gè)蓄水池均有一個(gè)水位計(jì)監(jiān)測(cè)蓄水池水位。水源地井泵的啟停以水廠蓄水池的水位為控制目標(biāo)。

　?。?）水廠變頻恒壓供水。通過(guò)二泵房5臺(tái)供水泵向城市供水。本部分主要包括以下幾個(gè)單元：

　　a.水廠信號(hào)采集系統(tǒng)；

　　b.二泵房電氣供電系統(tǒng)；

　　c.二泵房控制系統(tǒng)。

　　（4）總控室中心控制系統(tǒng)。所有水源地單井泵的啟停供水以及水廠輸水泵的變頻恒壓輸水均由總控室中心控制系統(tǒng)來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的合理調(diào)度、管理及監(jiān)控。

　　3.4主要設(shè)備選型

　　3.4.1可編程序控制器PLC

　　可編程序控制器PLC選用SIEMENS可編程控制器S7-200及S7-300。

　　S7-200系列可編程控制器，是西門子公司的小型PLC，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7-200系列PLC出色的表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:極高的可靠性，及豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的oo內(nèi)置集成功能塊，實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通信能力，豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。使其范圍可筱蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自控化控制。特別是在分布式控制系統(tǒng)中，其作為遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)控制單元，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有于自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等。

　　S7-300系列可編程控制器，用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架(ER)。S7-300通過(guò)分布式的主機(jī)架(CR)和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架(ER)，可以操作多達(dá)32個(gè)模塊。運(yùn)行時(shí)無(wú)需風(fēng)扇。能在不到0.6－0.1ms時(shí)間內(nèi)處理1024條二進(jìn)制語(yǔ)句。由于純粹的二進(jìn)制命令是不多見(jiàn)的，因此提供混合操作時(shí)的處理速度：用65％二進(jìn)制語(yǔ)句和35％字操作，這位銳利的小CPU依舊能在0.8ms內(nèi)處理1K語(yǔ)句。具有高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，沖擊性，有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。

　　其主要性能：

　　(1)標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)成，包括CPU、電源、輸入輸出（I/O）和通信模塊。

　　(2)PLC具有通訊及編程接口，能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)方監(jiān)控和遠(yuǎn)方組態(tài)編程。

　　(3)PLC在脫離上級(jí)控制中心后，仍能夠?qū)λ刂频木眠M(jìn)行正確、無(wú)誤地操作。

　　(4)PLC在完成所要求的功能外，有20%的硬件裕量，包括過(guò)程信號(hào)輸入/輸出（I/O）容量和內(nèi)存容量。

　　(5)PLC電源為交流220V。

　　(6)PLC具有高可靠性，能在無(wú)空調(diào)、無(wú)凈化設(shè)備、無(wú)專門屏蔽措施的井房旁正常工作。

　　(7)PLC的輸入/輸出（I/O）插件為標(biāo)準(zhǔn)單元，同類插件能互換，模塊便于更換和維護(hù)。

　　(8)PLC的數(shù)字輸入信號(hào)有光電隔離和濾波措施，每個(gè)數(shù)字量輸入和輸出都有LED指示狀態(tài)。

　　(9)PLC的I/O接口滿足如下要求：

　　a.數(shù)字量輸入（DI）：由獨(dú)立的常開(kāi)或常閉無(wú)源接點(diǎn)提供，輸入回路由獨(dú)立電源供電。設(shè)接點(diǎn)抖動(dòng)濾波措施，接點(diǎn)狀態(tài)改變后，其持續(xù)時(shí)間為4～6ms以上者，視為有效信息。信號(hào)輸入都經(jīng)光電隔離和浪涌吸收回路，光電隔離器能承受1500V(RMS)、1min的絕緣水平，如有必要可考慮對(duì)從高壓設(shè)備引入的信號(hào)加設(shè)中間繼電器。每個(gè)數(shù)字輸入端口都有一個(gè)LED指示器顯示其狀態(tài)。

　　b.模擬量輸入（AI）：一般電氣模擬量為4～20mA,接口的輸入阻抗小于500Ω，現(xiàn)地控制單元具有高精度的內(nèi)部參考值，以校驗(yàn)A/D轉(zhuǎn)換器在零值和滿刻度的讀數(shù)?？蓪?duì)A/D轉(zhuǎn)換精度自動(dòng)檢驗(yàn)或校正。模擬輸入接口參數(shù)滿足：

　　√A/D分辯率：12位（可含符號(hào)位）；

　　√轉(zhuǎn)換精度：包括接口和A/D轉(zhuǎn)換，誤差小于滿量程的±0.1％；

　　√絕緣耐壓：500V(RMS)，1min；

　　√沖擊耐壓：IEEESWC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

　　c.數(shù)字量輸出(DO)：

　　√數(shù)字量輸出接點(diǎn)的容量、數(shù)量和電壓滿足控制對(duì)象的要求，并留有充分的裕度。僅用于信號(hào)顯示的開(kāi)關(guān)量輸出可直接驅(qū)動(dòng)LED指示器，用于反映位置狀態(tài)或故障信號(hào)。

　　√輸出繼電器為插入式，帶防塵罩，繼電器耐壓水平：1500V(RMS)，1min。

　　√每一數(shù)字輸出有LED指示器反映其狀態(tài)。

　　√瞬時(shí)的數(shù)字量輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間為可調(diào)。

　　3.4.2出口繼電器

　　PLC的出口繼電器為完成斷路器的分閘、接觸器的操作、故障報(bào)警等功能而設(shè)，并起到PLC的模板輸出與外部電路隔離的作用。繼電器的接點(diǎn)數(shù)量滿足工作要求并留有裕量。繼電器采用插入式安裝，低耗且防塵。

　　主要性能：

　　(1)線圈額定工作電壓Ue：DC24V；

　　(2)動(dòng)作電壓：≥75%Ue；

　　(3)釋放電壓：≤10%Ue；

　　(4)接點(diǎn)容量：AC220V5A；

　　(5)耐壓水平不低于1500V（RMS）1min。

　　3.5系統(tǒng)總體性能

 

　　3.5.1實(shí)時(shí)性

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)水系統(tǒng)的響應(yīng)能力滿足數(shù)據(jù)采集、人機(jī)通信、控制功能和系統(tǒng)通信的時(shí)間要求。

　　(1)數(shù)字量采集周期：＜1s;

　　(2)模擬量采集周期：電量＜2s，非電量＜10s;

　　(3)事件順序記錄分辨率：≤5ms;

　　(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)更新周期：＜2s;

　　(5)控制命令響應(yīng)時(shí)間：控制命令回答響應(yīng)時(shí)間＜1s；接受執(zhí)行命令到執(zhí)行控制的響應(yīng)時(shí)間＜1s;

　　(6)人機(jī)通信響應(yīng)時(shí)間：運(yùn)行人員發(fā)出一個(gè)新的圖像調(diào)用命令開(kāi)始到100%畫面顯示在顯示器上為止的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)2s；在已顯示畫面上動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)更新周期不超過(guò)2s。

　　3.5.2安全性

　　(1)操作安全性的保證措施：

　　a.對(duì)本系統(tǒng)各項(xiàng)功能和每一次操作提供檢查和校核，發(fā)現(xiàn)有誤時(shí)能報(bào)警或撤消。

　　b.當(dāng)操作有誤時(shí)，能自動(dòng)被禁止動(dòng)作。

　　c.在人機(jī)通信中設(shè)操作員控制權(quán)口令。

　　(2)通信安全性的保證措施：

　　a.系統(tǒng)設(shè)計(jì)可保證信息傳送中的錯(cuò)誤不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)鍵性故障。

　　b.監(jiān)控中心與現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)的通信包括控制信息時(shí)，對(duì)有否響應(yīng)作出明確肯定的指示。當(dāng)通信失敗時(shí)，可考慮2～5次重復(fù)通信并報(bào)警。

　　c.通道設(shè)備上提供適當(dāng)?shù)臋z查手段，以證實(shí)通道正常。

　　(3)硬件、軟件和固件安全性的保證措施：

　　a.有電源故障保護(hù)。

　　b.有自檢能力，檢出故障時(shí)能自動(dòng)顯示報(bào)警。

　　c.任何硬件和軟件的故障都不會(huì)危及系統(tǒng)的完善和人身的安全。

　　d.系統(tǒng)中任何單個(gè)元件的故障不會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備的誤動(dòng)。

　　4控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

　　整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程圖如圖2所示。

圖2 供水系統(tǒng)工藝流程圖

　　4.1單井現(xiàn)地控制系統(tǒng)

　　單井現(xiàn)地控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地單井的引水，主要由一現(xiàn)地控制柜組成?，F(xiàn)地控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、通訊線纜及空氣開(kāi)關(guān)、交流接觸器、中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、指示燈等低壓電氣組成，通過(guò)控制柜，實(shí)現(xiàn)單井泵的啟停引水控制。

　　單井控制單元中的可編程序控制器使用的是S7-222，它以Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與井群現(xiàn)地集中站相連，接收井群現(xiàn)地集中站S7-314的控制信號(hào)，完成整個(gè)單井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止等信號(hào)的邏輯控制。S7-222集成8輸入/6輸出共14個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接2個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至78路數(shù)字量I/O點(diǎn)或10路模擬量I/O點(diǎn)，6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，是具有擴(kuò)展能力的，適應(yīng)性更廣泛的全功能控制器。

　　單井控制單元的控制柜柜門上布置有電壓表、電流表、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、及手動(dòng)/集中方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，這些設(shè)備有標(biāo)簽標(biāo)記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進(jìn)線電壓；電流表指示電機(jī)運(yùn)行電流；手動(dòng)/集中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為手動(dòng)控制或本地集中(遠(yuǎn)程方式)控制的轉(zhuǎn)換；啟動(dòng)、停止按鈕控制水泵的啟動(dòng)、停止，其信號(hào)輸入到PLC。水泵啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行指示紅燈亮。具體操作：打開(kāi)控制柜門，合上空氣開(kāi)關(guān)然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)位置。啟動(dòng)時(shí)按下啟動(dòng)按鈕則水泵電機(jī)運(yùn)行，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時(shí)按下停止按鈕即可，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈滅且電流表回零。

 

　　4.2井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)

　　井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地本組井群5眼水井的統(tǒng)一引水控制，主要由一現(xiàn)地集中控制柜組成?，F(xiàn)地集中控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、通訊線纜及中間繼電器、按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、指示燈等低壓電氣組成，通過(guò)集中控制柜，實(shí)現(xiàn)本組井群5眼水井泵的集中啟停引水控制。

　　井群現(xiàn)地集中控制系統(tǒng)可編程序控制器使用的是S7-314，它通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與單井控制系統(tǒng)PLC相連，發(fā)送單井控制S7-222的控制信號(hào)；同時(shí)它通過(guò)CP340通訊處理器和無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)FC-201與上位中心控制系統(tǒng)相連，完成整個(gè)井群現(xiàn)地集站的數(shù)據(jù)采集和傳送，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止等信號(hào)的邏輯控制。

　　各井群現(xiàn)地集中單元中分別有一控制柜。在控制柜門上布置有一個(gè)電壓表、五個(gè)單井控制單元的電流表、啟動(dòng)按鈕和停止按鈕、以及一個(gè)手動(dòng)/本地集中/遠(yuǎn)程方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，這些設(shè)備有標(biāo)簽標(biāo)記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進(jìn)線電壓；五個(gè)電流表分別指示各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行電流；手動(dòng)/本地集中/遠(yuǎn)程方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為手動(dòng)控制或本地集中控制或遠(yuǎn)程方式控制的轉(zhuǎn)換；各啟動(dòng)、停止按鈕分別控制各個(gè)水泵的啟動(dòng)、停止，其信號(hào)輸入到PLC。水泵啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行各自指示紅燈亮。具體操作：打開(kāi)控制柜門，合上空氣總開(kāi)關(guān)和各個(gè)水泵的空氣分開(kāi)關(guān)，然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)位置。啟動(dòng)時(shí)按下各個(gè)啟動(dòng)按鈕則各水泵電機(jī)運(yùn)行，這時(shí)各自運(yùn)行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時(shí)按下停止按鈕即可，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈滅且電流表回零。

　　各井群現(xiàn)地集中單元中控制柜分別有一CP340通訊處理器和無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)FC-201。CP340通訊處理器是串行通訊最經(jīng)濟(jì)，完整的解決方案。它可用在SIMATICS7-300和ET200M(S7作為主站)之中。對(duì)下列選項(xiàng)，可采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接：如SIMATICS7和SIMATICS5可編程序控制器;許多其他廠商的系統(tǒng);打印機(jī);調(diào)制解調(diào)器;機(jī)器人控制器;掃描儀條形碼閱讀器等.該模塊有三種形式的傳輸接口:RS232C(V.24)；20mA(TTY)；RS422/RS485(X.27)?？蓪?shí)現(xiàn)若干種標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，允許在各種不同的站上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：ASCII，用于采用簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議連接外部系統(tǒng)，如采用起始和結(jié)束字符?；驇K校驗(yàn)字符的協(xié)議可通過(guò)用戶程序詢問(wèn)和控制接口的握手信號(hào)；打印機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于在打印機(jī)上記錄下來(lái)過(guò)程狀態(tài)和事件；3964(R)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的、開(kāi)放的西門子3964(R)協(xié)議連接到西門子的裝置上或第三方部件上，包括一個(gè)帶有標(biāo)準(zhǔn)值的3964(R)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)可配置的3964(R)驅(qū)動(dòng)器。

　　4.3井群中心控制系統(tǒng)

　　井群中心控制系統(tǒng)（如圖3所示）主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地6組井群30眼水井的水廠集中引水控制，主要由一井群中心控制柜組成。井群中心控制柜主要由可編程序控制器、輸入輸出模塊、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、通訊線纜及按鈕、指示燈等低壓電氣組成，通過(guò)中心控制柜，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地井群30眼水井泵的集中啟停引水控制。

　　井群中心控制單元中使用的是S7-314，它通過(guò)一個(gè)CP340通訊處理器和無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)FC-201與六個(gè)井群現(xiàn)地集中單元相連，發(fā)送給井群現(xiàn)地集中單元S7-314控制信號(hào)，完成整個(gè)井群中心控制站的數(shù)據(jù)采集和傳送，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)啟動(dòng)、停止等信號(hào)的邏輯控制。

　　4.4二泵房控制系統(tǒng)

　　二泵房控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的變頻恒壓供水。

　　二泵房共有5臺(tái)供水泵組成，其中55KW變頻泵1臺(tái)，75KW變頻泵2臺(tái)，75KW軟啟泵2臺(tái)。

　　二泵房?jī)?nèi)PLC采用西門子的S7-314可編程控制器，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與上位機(jī)相連，它是泵房?jī)?nèi)控制柜的核心，接收上位機(jī)的控制信號(hào)控制變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、復(fù)位等信號(hào)的邏輯控制；對(duì)壓力、流量、水位、電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的采集和數(shù)值轉(zhuǎn)換；對(duì)電機(jī)等設(shè)備的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)等等。

　　變頻器采用SIEMENSECO系列變頻器。SIEMENSECO變頻器是SIEMENS公司推出的用于風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的專用變頻器。其主要特點(diǎn)是：

　　(1)ECO變頻器安裝調(diào)試容易，維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低。由于變頻器的特定功能使其產(chǎn)品的成本降至最小，價(jià)格便宜，降低了整套系統(tǒng)的成本。

　　(2)ECO變頻器能夠精確地跟隨設(shè)定點(diǎn)，可使系統(tǒng)有更好的性能。

　　(3)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)采用了標(biāo)準(zhǔn)比例、積分、微分控制的閉環(huán)過(guò)程控制，并為反饋傳感器提供了標(biāo)準(zhǔn)電源。

　　(4)在運(yùn)行噪聲的控制方面采用了自動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化，從而降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲。

　　(5)ECO變頻器針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能運(yùn)行的需要，設(shè)置了能量?jī)?yōu)化控制程序，為在運(yùn)行中搜尋最小能量消耗點(diǎn)，自動(dòng)升高和降低電機(jī)電壓。當(dāng)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的速度（即加速過(guò)程結(jié)束時(shí)）時(shí)通用變頻器即在這個(gè)速度下運(yùn)行，而ECO變頻器此時(shí)開(kāi)始分析電機(jī)的功率消耗。然后開(kāi)始微小地升高或降低變頻器的輸出電壓來(lái)搜索最佳頻率，即最低的功率消耗。如果ECO變頻器檢測(cè)出在升高電機(jī)電壓時(shí)，功率消耗增加了，則變頻器的控制策略（能量?jī)?yōu)化控制程序）就開(kāi)始降低電機(jī)電壓，以搜索最低的功率消耗水平，如果檢測(cè)出在降低電機(jī)電壓時(shí)，功率消耗增加，則升高電機(jī)電壓。這樣就可搜尋到效率最高，功率消耗最小點(diǎn)并在此處運(yùn)行。用這種優(yōu)化節(jié)能程序（典型）可節(jié)約2%～5%的額定容量的電能。

　　(6)在選擇ECO變頻器時(shí)，不能用它驅(qū)動(dòng)額定功率比它大或者額定功率不足其一半的電機(jī)，否則會(huì)影響變頻器的性能甚至造成損壞。變頻調(diào)速的原理非常簡(jiǎn)單，由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=120f(1-s)/p式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為電源頻率，Hz；p為異步電動(dòng)機(jī)磁極個(gè)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差。所以，理論上說(shuō)，只要改變f就能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n。

　　在設(shè)計(jì)變頻器工作方式時(shí)，設(shè)計(jì)了變頻器有手動(dòng)、自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。手動(dòng)方式時(shí)，可以人工手動(dòng)設(shè)置變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速；自動(dòng)方式時(shí)，具體驅(qū)動(dòng)方式為PLC利用PID控制原理自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率,PID的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值為：

 

　　a.測(cè)量值：為水廠出水口壓力值；

　　b.設(shè)定值：為上位機(jī)水廠出水口壓力設(shè)定值；

　　c.P、I、D參數(shù)值：為系統(tǒng)人工整定或自整定值。

　　系統(tǒng)根據(jù)PID控制回路的輸出控制信號(hào)，自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水廠出水口壓力，使其始終穩(wěn)定在設(shè)定壓力附近。

　　泵房手動(dòng)控制分為兩種情況：軟啟動(dòng)器控制、變頻調(diào)速控制，其中1、號(hào)泵為55KW變頻泵變頻調(diào)速控制；2、3號(hào)泵為75KW變頻泵變頻調(diào)速控制；4、5號(hào)泵為75KW軟啟泵軟啟動(dòng)器控制。每個(gè)水泵各有單獨(dú)的控制柜。

　　(1)軟啟動(dòng)器控制：在控制柜門上布置有電壓表、電流表、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、軟啟運(yùn)行指示燈、軟啟故障指示燈及手動(dòng)/自動(dòng)方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，這些設(shè)備有標(biāo)簽標(biāo)記。電壓表指示變壓器輸出到控制柜的進(jìn)線電壓；電流表指示電機(jī)運(yùn)行電流；手動(dòng)/自動(dòng)方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為手動(dòng)控制和集中控制的轉(zhuǎn)換；啟動(dòng)、停止、復(fù)位按鈕對(duì)應(yīng)于手動(dòng)時(shí)軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)、停止、故障復(fù)位，其信號(hào)輸入到PLC然后由其判斷是否其它條件滿足執(zhí)行相應(yīng)操作。軟啟動(dòng)器要手動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行必須首先滿足以下條件：出水壓力小于6公斤；電機(jī)沒(méi)有過(guò)載故障；軟啟無(wú)故障；啟動(dòng)控制回路無(wú)故障；手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在手動(dòng)位置。滿足以上條件時(shí)，若啟動(dòng)按鈕按下，則軟啟啟動(dòng)。以上條件不滿足時(shí)，軟啟不能夠啟動(dòng)。當(dāng)停止按鈕按下時(shí)，軟啟動(dòng)器停止運(yùn)行。軟啟動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行指示紅燈亮，故障時(shí)故障指示綠燈亮。當(dāng)軟啟故障時(shí)，按下復(fù)位按鈕，則軟啟復(fù)位。

　　具體操作：打開(kāi)控制柜門，合上空氣開(kāi)關(guān)然后關(guān)好控制柜，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)位置。啟動(dòng)時(shí)按下啟動(dòng)按鈕如果啟動(dòng)條件滿足則軟啟帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈亮且電流表有指示。停止時(shí)按下停止按鈕即可，這時(shí)運(yùn)行指示紅燈滅且電流表回零。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障指示綠燈亮?xí)r按下復(fù)位按鈕，如果故障指示綠燈滅則恢復(fù)正常。

　　(2)變頻調(diào)速控制：變頻器控制的啟動(dòng)、停止、復(fù)位操作和電壓、電流、運(yùn)行、故障指示與軟啟動(dòng)器控制完全相同，唯一不同的是控制柜面板上增加一個(gè)模擬電位器，通過(guò)按標(biāo)簽指示旋轉(zhuǎn)電位器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)變頻器面板上的頻率指示線性反應(yīng)。

　　4.5總控室中心控制系統(tǒng)

　　總控室中心控制單元選用帶PROFIBUS-DP網(wǎng)卡（CP5611）接口的工控機(jī)WINCC為總主站，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(jí)遠(yuǎn)程分布式控制系統(tǒng)。它通過(guò)二泵房控制單元中的S7-314在每一個(gè)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(jī)，并把PC機(jī)的優(yōu)化信號(hào)送回，控制各水泵的啟停及轉(zhuǎn)速，配合閥門的控制達(dá)到優(yōu)化的目的。它通過(guò)井群中心控制單元中的S7-314控制水源地各水泵的啟停。

　　總控室中心控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能為：

　　(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

　　a.單井水位、壓力、水泵運(yùn)行狀態(tài)、故障情況等。

　　b.各電機(jī)電流、電壓等電氣參數(shù)。

　　(2)數(shù)據(jù)分析及處理：

　　a.對(duì)各種采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成歷史記錄，以便于查詢。

　　b.當(dāng)水泵動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、缺相等異常情況時(shí)能夠做出及時(shí)準(zhǔn)確的反映。

　　c.報(bào)表、趨勢(shì)圖的查看和輸出：可以查看各個(gè)單井的各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的相關(guān)報(bào)表，可以根據(jù)用戶需求顯示數(shù)據(jù)報(bào)表及趨勢(shì)圖。

　　(3)控制調(diào)節(jié)功能

　　監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員或上級(jí)控制中心的命令控制水泵電機(jī)，進(jìn)行啟閉和停止操作；

　　(4)畫面顯示

　　a.水泵電機(jī)的啟、閉運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示圖；

　　b.單井水位實(shí)時(shí)顯示圖；

　　c.動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示圖；

　　d.單井出口壓力實(shí)時(shí)顯示圖；

　　e.操作控制實(shí)時(shí)顯示圖；

　　f.各種報(bào)表、趨勢(shì)圖顯示；

　　g.故障報(bào)警實(shí)時(shí)顯示圖；

　　h.當(dāng)前操作權(quán)限及操作人員監(jiān)控圖；

　　i.供電電源電氣接線圖；

　　j.監(jiān)控系統(tǒng)框圖；

　　(5)遠(yuǎn)程通信：

　　監(jiān)控系統(tǒng)可以與上級(jí)各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

　　(6)人機(jī)對(duì)話

　　通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可輸入各種數(shù)據(jù)、更新修改各種文件、人工置入各種缺漏的數(shù)據(jù)、輸入各種控制命令等，實(shí)現(xiàn)各水泵電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)視和控制。

　　(7)安全驗(yàn)證

　　用戶在進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)前必須經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證，合法的用戶才能進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)的每一步操作都有權(quán)限限制。有足夠權(quán)限的用戶才能進(jìn)行相應(yīng)的操作。

　　用戶進(jìn)入或退出該系統(tǒng)，都有相應(yīng)的日志記錄，以方便查詢。對(duì)不具備操作權(quán)限的用戶，系統(tǒng)可給此用戶相應(yīng)的提示。

　　(8)軟件開(kāi)發(fā)

　　在線和離線方式下，可方便地進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件的升級(jí)、編輯、調(diào)試和修改等任務(wù)。

　　5 無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)

　　水廠與水源地采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)FC-201進(jìn)行通信，F(xiàn)C-201是具有較大發(fā)射功率(通過(guò)實(shí)驗(yàn)，全天候滿足本工程45公里的要求)的半雙工數(shù)傳電臺(tái)。它采用MSK調(diào)制方式、兼容1200bps和2400bps兩種傳輸速率，誤碼率低，射頻頻率可覆蓋VFHIUFH頻段。FC-201既可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，又可進(jìn)行語(yǔ)音呼叫和通話。

　　FC-201具有以下特性:

　　(1)FC-201/E系列無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)產(chǎn)品是利用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)，無(wú)線射頻技術(shù)，數(shù)字處理技術(shù)和語(yǔ)音處理技術(shù)設(shè)計(jì)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，低功耗模塊化電臺(tái)，采用SMT新工藝，選用高質(zhì)量的元器件，技術(shù)指標(biāo)滿足GB/T16611～1996《數(shù)傳電臺(tái)通用規(guī)范》要求。

　　(2)產(chǎn)品特點(diǎn)

　　數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，工作頻率穩(wěn)定。

　　工作頻率覆蓋12MHz，頻帶寬。

　　數(shù)據(jù)調(diào)制采FFSK方式，數(shù)據(jù)傳輸可靠。

　　存貯16個(gè)收、發(fā)信道，用戶可根據(jù)情況配置使用或由程序控制使用。

　　空中數(shù)據(jù)傳輸速率1200/2400bps。具有多種通訊協(xié)議，包容性強(qiáng)。

　　RS-232、UART二種接口可選，方便同各種儀表設(shè)備連接。。

　　接口可編程，根據(jù)用戶的需要編程控制數(shù)據(jù)傳輸，靈活方便。

　　內(nèi)置軟件看門狗，保證電臺(tái)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

　　采用SMT組裝，制作工藝先進(jìn)，集成度高。

　　(3)性能指標(biāo)

　　頻率范圍：223～235MHz

　　信道間隔：25KHz/12.5KHz

　　頻率穩(wěn)定度：5ppm

　　調(diào)制方式：MSK

　　空中傳輸速率：2400/1200bps

　　發(fā)射輸出功率：50mW/500mW

　　接收靈敏度：≤0.25μV(12dBSINAD)

　　工作電源：5VDC

　　工作溫度：-20——+60℃

　　在本系統(tǒng)主要應(yīng)用以下技術(shù)：

　　(1)傳輸方式:通用模式，選址模式和透明模式。本工程選用透明模式，即數(shù)傳電臺(tái)只作為數(shù)據(jù)通道。

　　(2)數(shù)據(jù)接口:標(biāo)準(zhǔn)RS-232，可以于任何具有RS-232的終端設(shè)備相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　(3)一機(jī)兩用:既可做數(shù)傳臺(tái)使用，也可完成語(yǔ)音的半雙供通信。

　　(4)調(diào)制方式:采用MSK方式調(diào)制，調(diào)制方式先進(jìn)，數(shù)據(jù)傳輸可靠。

　　(5)工作頻率:覆蓋20MHz,頻帶寬。本工程選用水利系統(tǒng)專用頻段450MHz作為基頻進(jìn)行發(fā)射與接收。

　　(6)內(nèi)置看門狗:可保證電臺(tái)長(zhǎng)期運(yùn)行。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文綜合智能控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信息和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，根據(jù)供水網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)控制策略和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)并建立了遠(yuǎn)程區(qū)域網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　陳瑩女工程師主要研究方向：機(jī)電一體化