1引言
在居民生活用水供水系统中，采用传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高、占地面积和设备投资大等缺点，不能满足高层建筑、消防等高水压、大流量的快速供水需求。此外，水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间比较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳定，而且造成大量水力资源、电力资源的浪费。
为此，本文设计了一套基于PLC的智能供水系统，该系统具有全自动变频恒压运行、远程手动控制、自动工频运行、现场手动控制和远程监控等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的管网水压稳定性差、能耗大等问题，并具有多种辅助功能，可以做到无人值守。
2系统介绍
智能供水系统由PLC、变频器、远传压力表、3台水泵（水泵数量可以根据需要设置）和1台辅助水泵、计算机、通信模块等主要设备构成，系统结构图如图1所示。在供水系统用户出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器。PLC具有模拟量输入检测模块。检测压力传感器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量，实现供水压力的恒定。这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统；自动检测蓄水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机，并将情况上传至上位机，在人机界面中显示出来[1]。
作为一个控制系统，报警系统是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失[2]。
通过PLC控制可以实现全自动变频恒压供水，但由于PLC处于现场控制，管理人员不能及时了解现场情况，而且人机交互性差，为弥补这一不足，本文设计了一套远程监控系统，通过上位机远程监控水泵站运行状况，必要时可对水泵进行远程手动控制，从而提高故障应急处理能力，保障了供水的可靠性，进一步提升了管理水平，并且可以做到无人值守。
图1 智能供水系统总体结构图
3系统工作原理
该系统具有现场手动控制运行、远程手动控制运行、自动工频运行和全自动变频恒压运行四种运行方式。
3.1现场手动控制运行
选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮泵，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。
3.2远程手动控制运行
选择此方式时，在上位机人机界面中按启动按钮泵或停止按钮泵，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式通过计算机和PLC通信远程操控水泵的运行，是一种辅助供水方案。
3.3自动工频运行
指在变频器故障状态时，为维持压力的相对恒定，系统根据水压大小自动调节工频运行电机台数，维持供水，这种运行方式只是在特殊情况下的一种备用供水方案，提高了系统可靠性的冗余度。
3.4 全自动变频恒压运行
3.4.1系统启动程序
系统通电，在接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动1#泵，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制1#泵的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间1#泵工作在调速运行状态。
当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加1#水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小1#水泵的转速到另一个新的稳定值。
3.4.2增加运行中水泵数目的切换程序
当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将1#泵切换至工频电网供电后，1#泵恒速运行，同时将2#泵与变频器连通并变速运行2#泵，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
3.4.3减少运行中水泵数目的切换程序
当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。
3.4.4小流量辅助泵的作用
对于居民生活用水，其水量主要集中于早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，设计供水系统时可设置一台小流量辅助水泵。当系统中只有1台调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率时，这意味着这个时间段是用水低峰期，此时应关闭调速泵。系统进入靠小流量辅助泵进行少量补水的状态。在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启小流量辅助泵进行补水，小流量辅助泵开启后，若实际压力高于小流量辅助泵的工作压力(设定压力+辅助泵启停压力误差)，则关掉小流量辅助泵。待实际压力再次低于设定压力后，重复上述过程。在小流量辅助泵开启后，压力达不到设定压力，则经过一定的延时后，关掉小流量辅助泵，开启调速泵进行控制，工作过程同上。
3.5故障处理
对变频器故障、热继电器动作、空气开关跳开、水位过低等故障给出声光报警，并做出相应的故障处理。各故障具体处理为：
(a)欠水位故障：进入停止全部的电机运行的状态，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动进入小流量辅助泵运行、其它泵停机的状态。
(b)变频器故障：变频器出现故障时，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决，设定延时时间为20分钟。
(c)电机故障：热继电器、空气开关一般用于电机保护，二者的动作往往表明了电机潜在故障。检测到此类故障时，系统首先锁定故障电机，并自动投入下一台电机运行。此时系统处于“一辅泵两主泵”的运行状态。
4系统硬件配置及控制程序设计
4.1控制系统硬件配置
4.1.1 PLC的选择
PLC是整个智能供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，以西门子S7-200系列CPU-226主机的PLC为例，其I/O点数为40点，其中有24个输入点和16个输出点，具有2个RS-485通讯/编程口。具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7-200 PLC的一个很有特色的功能。它使S7-200 PLC可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式。在本系统中PLC可以与变频器和上位机（上位机安装西门子WinCC软件进行系统组态）方便连接。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件。它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。
4.1.2变频器的选择
在本系统中变频器选用西门子的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类专用变频器，它们具有RS-485通讯接口，性价比较高。PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来。这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获得了大量变频器的信息。
4.1.3监控系统
监控系统管理层设备计划由1台用于供水系统设备中央监控室并兼作操作站计算机的服务器、1台彩色打印机和1台激光打印机组成。
为了保证较高的可靠性、较强的抗干扰性，服务器采用IBM的专业服务器。服务器采用WINDOWS 2000个人版本操作系统。监控系统组态软件采用西门子WinCC软件。采用SQL server 数据库工具，用于采集与存储监控计算机检测的主要数据[2]。
供水设备中央监控室可显示的组态画面包括：“主画面”、“设备状态监控画面”、“设备运行监控数据及运行曲线画面”、“报警图表画面”。主画面显示操作索引，引导远程操作和实时监控操作；设备监控画面显示设备的运行情况（起动运行状态，停止状态，运行数据）；设备运行监控数据及运行曲线画面显示有关设备的运行参数，如：电流、电压、水流量、液位、水压等，及其运行趋势曲线棒图；报警画面显示设备运行中的报警信息。因此中央控制室可对系统的所有供水设备进行远程操作和控制，并具备显示实时动态参数、设备工作状态及实时/历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线等功能，同时可进行离线/在线编程及设定参数的修改，编制和打印生产与管理等各类报表。
4.1.4系统控制电路分析
在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性[3]。
控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来实现互锁。
控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。
出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现[4]。系统主要控制回路图略可向作者索取。
4.2系统控制程序设计
供水系统根据需要实现的主要功能有自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等。全自动变频恒压运行方式是系统中最主要的运行方式，也是系统的主要功能，是指利用PLC控制，结合PID调节功能，通过变频调速实现自动恒压供水，其核心是根据恒压条件下供水系统中水泵运行状态及转换过程设计的PLC控制程序。
PLC控制程序设计的主要任务是接收各种外部开关量信号的输入，判断当前的供水状态，输出信号去控制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行，并给出相应指示或报警[5]。
系统控制程序的主流程图如图2所示。主要由系统初始化模块、辅助/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块、减少主泵的状态转换模块、远程手动控制模块和故障处理模块等构成。
图2 系统控制程序的主流程图
本文在3.4小节中已详细描述了系统初始化模块、辅助/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块、减少主泵的状态转换模块、故障处理模块。远程手动控制模块是指在PLC程序执行过程中，当接收到上位机的远程手动控制命令置标志M5M4=1 0时，PLC程序自动转入远程手动控制运行方式，接收水泵运行状态控制字。当接收到命令置标志M5M4=0 1时，先停止全部水泵的运行，延时后重新转入全自动恒压变频运行方式[6]。
5系统特点
(1)采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备PLC和内置PID调节模块的变频器作为主要控制设备，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，确保恒压供水；
(2)系统具有完备的故障处理能力，可通过自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等方式确保供水，具有故障实时的现场报警和远程电话自动报警功能，具有故障电机锁定功能；
(3)系统实现了计算机和PLC的有效结合，具有远程监控与管理能力，设计合理、先进；
(4)系统采取变频调速方式实现恒压供水，节能效果明显；
(5)用了PID调节方式，水压波动小，响应快。
6结束语
在供水系统中采用变频调速运行方式，可根据实际需要水压的变化自动调节水泵电机的转速或加减泵，实现恒压供水，节能降耗；系统增加了小流量辅助泵，延长主泵电动机使用寿命。变频器故障后仍能自动运行，基本保障了不间断供水，目前该系统已投入使用，运行情况良好，操作直观方便，节能效果明显，受到用户好评。
作者简介
彭婧崯（1986-）女 硕士研究生，主要研究领域为自动化装备控制/图像处理/模式识别。
参考文献
[1]姚福强．基于PLC和变频器串行通讯的变频恒压供水系统[J]．微计算机信息，2004，20： 9-10．
[2]林俊赞．PLC在恒压供水控制系统中的应用[J]．电机电器技术，1999，3：45-48．
[3]Aramaki N. New architecture forhigh-performance programmable logic controller Industrial Electronics[J]．Control and Instrumentation, l 997．
[4]Lund B, New PLC and Smart I/O Install fast reduce Breakdowns by 98%[J]．I&CS, 1993, 3: 45-48．
[5]周万珍． PLC分析与设计应用[M]．电子工业出版社，2004：186-188．
[6]方桂笋．基于PLC的变频恒压供水系统的设计[J]．兰州理工大学学报，2008．
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