0　引言

　　目前，我國北方大部分中小型水廠均采用兩級(jí)泵站的管理模式，即：由深井泵組成一級(jí)泵站采取地下水至水廠蓄水池進(jìn)行水處理;而后，由二級(jí)加壓泵站向用戶管網(wǎng)供水?？刂品绞揭话銥槿斯た刂频睦^接方式，自動(dòng)化水平低，水、電資源浪費(fèi)嚴(yán)重，設(shè)備事故隱患多、管理困難。我們?yōu)槟晨h自來水廠開發(fā)了一套由上位機(jī)、可編程控制器(PLC)、變頻器、相應(yīng)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的水廠微機(jī)集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)三年，性能穩(wěn)定可靠，提供了一種針對(duì)中小型水廠的，以節(jié)能降耗、提高自動(dòng)化水平為主要目的的技術(shù)改造方案。

　　1　系統(tǒng)的主要功能

　　該水廠的基本情況為：一級(jí)泵站包括5口深井，每口深井配備22kW多級(jí)潛水泵1臺(tái)，共同向一蓄水能力為2 000m3的蓄水池蓄水;加壓泵組為5臺(tái)45kW DL型立式泵，向管網(wǎng)加壓供水。對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是：對(duì)水廠的設(shè)備運(yùn)行及生產(chǎn)狀況進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理。該控制系統(tǒng)的基本功能如下：

　　(1)保證用戶管網(wǎng)供水壓力恒定。操作人員設(shè)定管網(wǎng)壓力后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值和壓力傳感器采取的管網(wǎng)實(shí)際壓力信號(hào)，采用1臺(tái)調(diào)速泵配合1～4臺(tái)恒速泵的運(yùn)行模式，自動(dòng)調(diào)整加壓泵站中恒速泵的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)和調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速，在較高的精度范圍內(nèi)保證管網(wǎng)的壓力恒定。無論用水高、低峰均可在保證供水壓力的前提下最大限度地節(jié)省電能。同時(shí)，減少了由于無謂磨損、頻繁啟停等原因?qū)λ迷斐傻膿p害;以及用水低峰時(shí)，由于管網(wǎng)壓力過高造成跑、冒事故，浪費(fèi)寶貴的水資源。

　　(2)蓄水池水位自動(dòng)控制。由于用戶用水量的變化較大且具有隨機(jī)性，而水廠對(duì)蓄水池內(nèi)水位控制的精度要求較高。故在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用模糊算法在保證蓄水池水位維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的前提下，合理安排潛水泵的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，避免潛水泵的頻繁啟停及無效運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　(3)自動(dòng)倒泵功能。為防止某臺(tái)水泵長期不運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生銹蝕，由PLC控制4臺(tái)水泵定期輪換作為變量泵運(yùn)轉(zhuǎn)，即自動(dòng)倒泵功能。

　　(4)防水錘電器互鎖功能。由于管網(wǎng)壓力較高，為防止水錘對(duì)水泵的沖擊，在每臺(tái)加壓泵的出水口處安裝電動(dòng)蝶閥，由PLC按照先開泵后開閥、先關(guān)閥后關(guān)泵的模式進(jìn)行控制，有效地防止了水錘的危害。

　　(5)直觀的圖形顯示及尋檢功能。上位機(jī)采用14寸彩顯，以動(dòng)畫圖形及中文方式顯示水池液位、管網(wǎng)壓力、水泵及閥門運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、耗電量、產(chǎn)水量、設(shè)備狀況等信息。

　　(6)生產(chǎn)管理功能。上位機(jī)隨時(shí)檢測(cè)并記錄水廠各臺(tái)水泵的出水量及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以班次為單位生成生產(chǎn)報(bào)表，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出水量及耗電量，并存入指定單元。

　　(7)報(bào)警及保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生電氣、液位、機(jī)械等故障時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行聲、光報(bào)警，并采取相應(yīng)措施。上位機(jī)故障時(shí)，PLC及變頻器可以組成獨(dú)立控制系統(tǒng)進(jìn)行工作;若整個(gè)上、下位自動(dòng)系統(tǒng)均發(fā)生故障，現(xiàn)場(chǎng)控制柜具有手動(dòng)功能，以保證向用戶供水的不間斷。

　　(1)上位機(jī)：水廠需24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)干擾源多、環(huán)境惡劣。因此，上位機(jī)選用了具有較高可靠性、較強(qiáng)抗干擾能力的研華(ADVANTECH)IPC-610/486型工業(yè)用微機(jī)。上位機(jī)與PLC之間采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口進(jìn)行通訊，傳輸速率9 600b/s，11位數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)長度7位，1位校驗(yàn)位，啟動(dòng)1位，停止2位。另選研華10位A/D采集卡，采集蓄水池水位信號(hào)和加壓泵組出水流量信號(hào)，對(duì)水位信號(hào)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行計(jì)算后，給出控制信息由PLC控制潛水泵的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。當(dāng)水位過低時(shí)，認(rèn)為發(fā)生故障，停止一、二次泵組的運(yùn)行并聲光報(bào)警。上位機(jī)為720M硬盤、8M內(nèi)存，可以同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)且歷史記錄較長。

　　(2)主控單元：主控單元選用日本立石公司的C60P型可編程序控制器作為主控單元，它具有40路開關(guān)量的輸入、20路開關(guān)量的輸出，可擴(kuò)展模入、模出模塊，并有RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口。C60P為積木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成及擴(kuò)展方便，抗干擾性能好，作為現(xiàn)場(chǎng)主控部件較理想。由它完成自動(dòng)倒泵、防水錘互鎖、變頻器邏輯控制等邏輯控制功能。

　　(3)管網(wǎng)恒壓調(diào)控系統(tǒng)：調(diào)速泵的調(diào)節(jié)由富士G-45變頻器來完成，由壓力傳感器采取用戶管網(wǎng)的壓力信號(hào)(4mA～20mA)送至自制的調(diào)節(jié)板上，與給定信號(hào)比較后送至日產(chǎn)RKC調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID運(yùn)算后產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。變頻器本身對(duì)應(yīng)其輸出頻率有0～5V(DC)信號(hào)輸出，將其引回調(diào)節(jié)板，由系統(tǒng)對(duì)輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)，若變頻器的輸出大于49Hz一定時(shí)間后，管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到要求，延時(shí)確定后，PLC按照一定規(guī)則逐個(gè)以自耦減壓方式啟動(dòng)恒速泵，直至管網(wǎng)壓力恒定。若變頻器輸出頻率小于23Hz一定時(shí)間后，管網(wǎng)壓力仍超過給定值，則依次關(guān)閉恒速泵，配合調(diào)整調(diào)速泵直至壓力穩(wěn)定。

　　(4)自耦減壓啟動(dòng)柜：恒速泵及潛水泵均采用自耦減壓啟動(dòng)方式，有效地減小了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

　　(5)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)：管網(wǎng)壓力信號(hào)的采取利用最大量程為1.0MPa的遠(yuǎn)傳壓力表，以方便在采樣點(diǎn)觀察壓力信號(hào);流量信號(hào)的采取利用渦街流量計(jì);水位信號(hào)的采取利用壓力式水位傳感器;利用電動(dòng)蝶閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制加壓泵的出水口狀態(tài)。

　　3　系統(tǒng)的軟件

　　系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)管理程序、PLC控制與監(jiān)測(cè)程序以及它們之間的通訊程序。

　　(1)上位機(jī)的管理程序主要完成設(shè)備運(yùn)行狀況的圖形顯示監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)庫管理、檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理、菜單處理以及報(bào)警等功能。采用C語言結(jié)合匯編編程，充分利用C語言結(jié)構(gòu)化強(qiáng)、簡潔和運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也提高了程序的可讀性、可靠性及可移植性。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，人機(jī)界面為圖形形式，菜單驅(qū)動(dòng)，全部中文顯示與提示非常友好。系統(tǒng)主要功能模塊包括：使用說明、水廠控制系統(tǒng)功能介紹、生產(chǎn)狀況監(jiān)測(cè)及管理、水位系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)控制等。采用查詢方式完成與PLC的通訊及檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理;將管網(wǎng)壓力、流量、液位、各水泵運(yùn)行狀態(tài)及各處閥門開啟狀態(tài)等信息以圖形及數(shù)據(jù)的方式顯示于顯示器上;如有報(bào)警信號(hào)則顯示相應(yīng)圖形，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。監(jiān)測(cè)的出水量、耗電量等信號(hào)可長期保存于存儲(chǔ)器中，隨時(shí)作為資料查詢。

　　(2)蓄水池分為沉淀池和出水池兩部分，深井水首先在沉淀池沉淀泥沙、消毒處理，而后，經(jīng)過濾到達(dá)清水池。因此，水位控制功能要求較高，正常狀態(tài)下，1～2臺(tái)潛水泵長期運(yùn)轉(zhuǎn)，其余根據(jù)用水量的大小自動(dòng)切換。為保證水的正常供應(yīng)并防止?jié)撍玫念l繁啟停，在水位控制中采用了模糊算法。將水位高度分為七級(jí)，將水位的變化率也分為七級(jí)，將潛水泵的開啟臺(tái)數(shù)分為5檔，形成了一個(gè)二維矩陣數(shù)組，由計(jì)算機(jī)運(yùn)算后確定應(yīng)開啟的深井泵臺(tái)數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后，確定了數(shù)組中各參數(shù)的值，經(jīng)實(shí)際使用，獲得了較好的運(yùn)行效果。

　　(3)可編程控制器作為主控單元，幾乎所有的現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制均與其有關(guān)。它的控制程序具有較強(qiáng)的邏輯性要求。一般來說變頻器嚴(yán)禁付邊加裝接觸器，但是為了節(jié)省投資、實(shí)現(xiàn)4臺(tái)恒速泵輪流作為調(diào)速泵，必須在變頻器的付邊裝接觸器。為防止在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)變頻器的原邊未切斷電源或剛剛切斷電源，付邊接觸器斷開，電動(dòng)機(jī)定子線圈放電造成高電壓，損壞變頻器的輸出功率模塊，在PLC的程序設(shè)計(jì)中必須考慮到較復(fù)雜的互鎖及時(shí)間控制關(guān)系，即PLC計(jì)算倒泵時(shí)間到后，首先按照閥、泵互鎖關(guān)系關(guān)閉擬轉(zhuǎn)入變量運(yùn)行的定量泵;接著關(guān)閉原變量泵，此時(shí)變頻器輸出頻率先降至零，而后切斷變頻器原邊接觸器，延時(shí)幾秒后，切斷其付邊接觸器。而后，將變頻器輸出與待轉(zhuǎn)入變量運(yùn)行的水泵接通，幾秒后按照閥、泵開啟的順序依次接通變頻器的電源，啟動(dòng)水泵并打開水閥;同時(shí)，原調(diào)速泵轉(zhuǎn)為恒速泵使用，這樣做保證4臺(tái)加壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相近，避免某臺(tái)泵長時(shí)間不運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生銹蝕等故障。

　　(4)上位機(jī)與PLC之間的通訊借助標(biāo)準(zhǔn)RS-232口來完成?？梢杂缮衔粰C(jī)完成給定倒泵的間隔時(shí)間、設(shè)定管網(wǎng)的壓力等工作。同時(shí)，下位系統(tǒng)定時(shí)將恒速泵的開啟臺(tái)數(shù)、調(diào)速泵的運(yùn)行狀態(tài)(頻率、轉(zhuǎn)速、消耗功率等)、管網(wǎng)壓力等信息報(bào)上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

　　4　結(jié)束語

　　中小型自來水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造有著廣泛的前景。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本控制系統(tǒng)將上位機(jī)、PLC、變頻器、相應(yīng)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，軟件設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)調(diào)試較方便;且系統(tǒng)各級(jí)之間可獨(dú)立運(yùn)行，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個(gè)水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)電一項(xiàng)就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。