农村变频恒压供水控制系统的设计

禹红　吴成中　刘芬　于兰芝

摘要：针对目前的农村供水供水不稳定、可靠性差等问题，设计出一种基于计算机远程分布式网络控制的恒压变频控制系统，主要包括远程监控与管理系统、中间路由传输系统和本地供水控制系统三大系统，该设计能实现用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，实现了满足各部位的用户对水的需求的目标。

关键词：变频控制恒压供水系统设计

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（c）-0016-02

水是生命之源、是人类生存的基础，居民生活用水质和量的水平是衡量一个国家和地区文明程度的一个重要标志，占全国人口70%的农村居民生活用水质量的高低直接关系到我国整体文明建设的进程和水平。我国改革开放以来，经济“持续、快速、健康”的增长，综合国力明显增强，各行各业快速发展，全国提前实现了第二步战略目标。而农村供水作为农民生活的重要基础设施基本处于一种自然发展状态，突出存在水压时低时高、各部位的水压差异大、供水可靠性差等问题，与快速发展的农村经济形势脱节，已开始制约农民生活质量的进一步提高。截止到2005年全国共建成农村饮水工程300多万处，其中，乡镇集中供水工程3.2万处，村集中供水10多万处。农村居民中享受自来水的人数约4亿多人，占农村总人口的45%。但自然村屯自来水普及率仅29%。供水量为北方每人每日供水10L左右，南方40L左右。比国际上发展中国家农村供水量20～50L/d的标准低。因此，加速发展农村饮水和乡镇供水工作是关系到农村社会经济发展、提高农村人口素质、稳定农村社会的大问题，是促进农业现代化建设的重要内容之一。

1变频恒压供水控制系统设计思路

本恒压变频供水控制系统设计旨在达到用户打开水龙头阀门，同时单片机、PLC等控制器采集水压传感器压力变化值，调节供水网中水泵旋转频率，调节水泵的输出流量，保证供水出口压力保持不变，实现恒压供水。做到用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，即可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。其基本本结构为： PLC+变频器+变频调速的泵（如图1）。

供水管网的管内压力与水泵的转速、用户用水负荷等有关，水泵转速越快，管内压力越大，用水负荷就越大，管内压力越小。在供水系统中，负荷往往是不可控的，因此，在恒压供水系统中，只有调节泵的转速来控制压力。本设计水泵的转速控制使用PID控制算法来控制，PID控制模块具有比较和差分的功能，供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高，反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。利用系统中的压力传感器将压力信号与设定值进行比较，送入PID等控制器，PLC将控制器计算的数值输出到变频器，变频器根据输入的模拟量，改变输出的电压及频率，从而实现对电动机的转速的调节，改变管内压力，实现恒压供水控制。

2本项目控制系统方案设计

本设计为基于计算机远程分布式网络控制的恒压变频控制系统，包括远程监控与管理系统、中间路由传输系统和本地供水控制系统三大部分；远程监控与管理系统是局部区域供水网络的高层管理器，负责对本地工作站供水信息采集和统计，分析本地服务站供水状况和供水使用情况，并实现了对本地服务站系统进行远程监控、故障诊断等功能，实时确认各本地服务器供水系统正常稳定运转。链路通信网路负责远程监控与管理系统与本地供水网路的正常通信，若干个本地供水系统组成一个庞大的子网络系统，由于主系统与子系统的距离较远，考虑农村分散式供水系统零星分布等现状，设计子系统分布为分布式网络终端，主控制网路与子控制网络之间的通信方式是基于TCP/IP协议的远程网络通信模式。

3本地供水控制系统设计

本地供水控制系统是整个系统的执行部分，是本地供水系统中的执行部分，主要包括本地服务器、PLC可编程逻辑控制器、变频器、水泵和水压表等组成部分（图2）。

本地PC机与PLC组成主从式控制系统，可编程逻辑控制器PLC与变频器和水压表构成交互网络，通过RS232或者网络接口进行通信，本项目中，采用了工业标准协议Modbus协议，首先对水压表和变频器定义不同的地址，地址标号不能重复，避免出现同一地址响应冲突，引发通信故障，PLC以广播方式给所有从级设备发送指令。

PLC可编程逻辑控制器实时采集嵌入在输水管道中的水压表的数值，然后将水压表的实际值跟设定值作比较，然后将比较结果输送到PID控制器或者模糊算法控制器，并将控制器数据的结果转化为控制输出量，PLC逻辑控制器将计算以后的控制输出量通过发送到变频器中，控制变频器的输出，从而改变水泵的运行状态，水泵系统是一个大惯量、非线性系统，在控制过程中，首先要确定各种启动参数，如Kp、Ki、Kd等pid控制參数，实现水泵的无抖动超调优化控制，保证电机平稳运行。

在本地供水系统中，随着用水网络的增大，用户用水的增多，供水任务的增大，单台水泵往往难以解决供水问题，在用水高峰期，往往需要多台水泵并行供水，对于高层楼宇，则需要多级水泵串联来实现，本系统在设计过程中，并行供水系统的设计流程为：

初始化相关配置参数，采集供水网络压力信息，电机进行初始化等。

采集供水网络中各压力传感器上水压的大小，在供水网络中，存在压力传感器比较多，因此，需要先开辟大块内存或者采用数据库保存压力值。

计算供水网络中水泵上下端总的压力值大小。

根据计算出压力值大小，判断开启水泵的多少和功率的大小，当实际压力值小于阈值1时，仅开启水泵1，当实际压力值大于阈值1小于阈值2是，开启水泵1和水泵2，当实际压力值大于阈值2小于阈值3是，开启水泵1、水泵2和水泵3，依次类推。完成多水泵并行增减压的功能。

具体流程图如下图3。

4远程监控与管理系统设计

本设计通过对泵站业务需求和功能需求的分析，把泵站作为相对独立的部分进行监控，不但要能实现就地控制的各种功能，还要能实现手动控制和就地控制的相互切换，当系统出现故障时，送水泵房仍能实现就地控制，达到以下功能。

（1）控制功能：功能分自动和手控两种方式，在转换开关处于自动位置时，便立即进入自动控制状态。

（2）监测功能：不论设备处于哪种工作方式下，即使在手动方式下，系统具有对设备的状态和参数实时监测功能。监测信号的设置是根据设备控制流程需要、保护设备安全需要、生产管理需要和提供设备故障查询而选定的。

远程监控与管理系统是整个恒压变频供水网络的最高层次，是信息处理的核心部分，主要负责实时监控本地供水系统现状和整体网络运行状况统计分析。与现有农村落后供水方式相比较，系统能够监控各个供水地区异常的出现，并及时发出报警信息，通知维护和管理人员作出反应，可以避免因远程管道断裂，影响农村居民用水、造成水资源浪等现场。对于现有的农村供水系统中，供水水源与用水区域相隔较远，若供水部位系统出现异常故障，管理人员不能够及时察觉，易造成供水中断或系统瘫痪，严重影响下游农村星散用户取水方便。

5网络通信模块

本设计的远程监控与管理系统上位机软件采用Visual 2010编程软件编写，主要包括通信功能、数据库管理功能和故障自诊断功能，并集成了汇总打印外部设备，通信功能采用了socket通信方式下地Client/Server（客户机/服务器）模型，这种方案客户应用程序向服务器程序请求服务（图4 Socket编程流程图）。一个服务程序通常在一个众所周知的地址监听对服务的请求，也就是说，服务进程一直处于休眠状态，直到一个客户向这个服务的地址提出了连接请求。在这个时刻，服务程序被“惊醒”并且为客户提供服务-对客户的请求作出适当的反应。

6结语

本设计设计了一个基于计算机网络通信的恒压变频分布式控制系统和大型远程监控软件，开发了上位机远程实时监控系统软件、下位机PLC工作站组、变频控制器和水泵机组、实施故障自诊断软件系统等；能进行供水网路中局部供水故障的自行诊断与排查，及时发现故障位置；做到了用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，实现了满足各部位的用户对水的需求的目标，大幅度的提高了农村供水可靠性。应用本变频恒压供水控制系统，对改善农村生活质量有切实的意义，该设计具有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献

[1] 魏伟.PLC控制技术于应用[M].北京：中国轻工业出版社，2010：195-214.

[2] 张万忠，孙晋.可编程控制器入门与应用实例[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3] 杨东平.变频调速恒压供水系统综述[J].南宁职业技术学院学报，2004，9（3）：77-80.

[4] 王建中，王裕，鲁仁全.水泵变频调速节能的模糊控制[J].杭州电子科技大学学报，2007，27（6）：79-81.

[5] 謝静.基于神经模糊PID控制的双闭环恒压供水系统研究[J].陕西科技大学学报，2010，28（5）：110-115.