基于Sedona平台的智能供水系统

沈 进，王亚刚，蔡杰杰

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

为了提高供水质量，保证充足的水量供应和稳定的水压，采用多台水泵构成恒压供水控制系统的应用场合越来越多，如在居民楼小区、大型商场及酒店等地方。传统的恒压变频供水系统大多是基于PLC技术，逻辑处理能力一般，编写逻辑复杂的程序需要消耗大量的精力和时间，开发周期长。基于Sedona平台所需要的开发周期短、消耗的人力和物力较少，开发方便。部分功能在Sedona平台上易实现，而在PLC平台上却难以实现，如日常管理、在线远程编程、远程报警等功能［1－2］。

Sedona平台是Honeywell旗下子公司Tridium在其优秀的智能建筑管理系统Niagara［3］平台设计的基础上，特别针对嵌入式智能设备推出的开源软件平台。采用与Java类似的虚拟机机制，实现与Java一样的“一次编程，随处运行”的功能，大幅降低应用程序开发和调试的难度。

Sedona技术现在主要用于设备之间集中控制、分散管理，在供水系统中的应用较少。设计此套系统是一个创新。需要重点解决的几个问题是:选泵程序、加减泵程序、变频工作模式切换到工频工作模式程序和控制算法的实现。此系统能保证高效、稳定的供水，并且有多种辅助功能。

1 系统介绍

变频恒压供水控制系统由Sedona控制器30P、I/O设备、传感器、变频调速器、压力变送器、交流接触器等设备以及6台有变频和工频工作方式的水泵组成。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，压力变送器与I/O设备相连，30P通过Modbus通信协议与I/O设备通信并采集到出水压力的信号，将出水压力与设定压力经过自动控制运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电机的转速，保持供水压力的恒定［4］。上位机采用组态屏，通过触屏修改系统相关参数，并且屏幕上可以直观的显示主要运行数据。系统具有多种自诊断功能，例如安装过程中能显示各主要设备是否与控制器接通，出现故障时能自动报警并采取保护措施，可以做到无人值守，方便管理［5］。

2 系统工作原理

2.1 系统设计介绍

根据各自功能，硬件系统分为:信号检测机构、控制机构、执行机构3大部分。信号检测机构包括水位和水压等检测电路;控制机构主要包括Sedona控制器30P、上位机;执行机构主要包括水泵和变频器［6－7］。

主要用变频器的输出频率和水压来决定加减泵。变频设定上限频率50 Hz和下限频率20 Hz。为避免干扰造成电机频繁启动，每当上升到上限频率或者下降到下限频率时，保持5 s，然后检测水压信号，若水压不满足系统要求则进行加泵或者减泵。这样做不仅能增强抗干扰能力，而且减少频繁启动，保护电机。为减少工频泵投入和退出时产生的冲击，在加入工频泵时，使变频器从最低频率开始运行［8－9］，退出时使变频器从最高频率开始运行。具体流程如图1所示。

图1 系统运行流程图

2.2 系统运行模式

2.2.1 手动运行模式

选择手动工作方式时，按启动按钮或停止按钮，可以根据需要而分别启动各水泵。这种工作方式仅供检修或者控制系统出现故障时使用。

2.2.2 自动运行模式

在自动运行模式下，系统首先进行自检。判断是否有水、进水压力、出水压力和目标压力值。系统自检时，进水管无水时系统不启动并报警，进水管有水时，系统自动启动。启泵时，会选择运行时间最短的泵使其变频交流器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从20 Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈给30P，经过自动控制算法运算后控制变频器的频率输出。变频器的输出频率转换为电压信号控制电机的转速。

2.2.3 水池水位检测

在自动供水的过程中，30P通过采集传感器的数据实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号;若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号;若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。

2.2.4 自动启动

当电源突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，30P发出指令，然后按自动运行方式变频启动所选择工作时间最少的泵。

2.2.5 多重保护功能

超压保护:设定一个压力上限值，当出水压力达到管路超压压力并持续若干秒，系统执行停机程序并发出报警。当压力低于超压压力并持续若干秒，系统进入恒压变频模式，报警自动解除。

电机过载保护:当电机过载时触发控制器显示该电机过载并报警显示。同时屏蔽该水泵，设备运行时自动越过该泵，不影响系统运行。

2.2.6 紧急工作模式

当系统发生故障时，必须保证不间断供水。当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，30P发出指令使当前工作的变频泵关掉，工频工作的水泵保持状态不变，此时系统根据出水压力电接表的上下限触发为准来进行切泵。若紧急模式持续了若干时间还没恢复正常，监控页面会一直有报警存在，相关值班人员可以前来进行维修。

2.2.7 水箱清空

系统每天设置2个独立时段，启动水箱清空程序。在进水压力传感器压力高于下限的情况下，清空程序启动，此时系统关闭水箱控制阀和管网直连阀，逐步把水箱的水用到低于水位下限后退出程序，直到下一时间点启动水箱清空程序。

3 控制系统实现

3.1 逻辑编程

系统的程序主要分为两类:加泵程序和减泵程序。

3.1.1 加泵程序

加泵程序中包括选泵程序、启泵程序、切泵时变频器输出频率变化程序。第一次启泵时，首先开启待工作的水泵中工作时间累积最小的一个，使其处于变频工作状态，实时监测出水压力并采集到JACE600控制器里经过自动控制运算，控制变频器的输出频率，当实际出水压力小于设定目标压力时且输出频率加到50 Hz时，50 Hz保持5 s以上触发一个true信号表示要加泵，此时选择余下未开启的水泵中工作时间最少的泵打开其工频工作方式，同时让变频器的输出频率从20 Hz开始增加，然后输出频率交给自动控制运算决定，实现实际出水压力连贯。依次类推，直至实际压力达到目标压力值。变频泵的工作时间可以设定为一个定值，到期后关闭当前工作的变频泵选择下一个工作时间最少的泵使其工作在变频模式。

3.1.2 减泵程序

减泵程序包括选泵程序和变频器输出频率变化程序。当用户用水量减少，实际出水压力增大，当实际出水压力大于目标压力值时且输出频率减到20 Hz时，20 Hz保持5 s以上触发一个减泵信号，此时将处于工频工作状态的工作时间最长的水泵。

3.1.3 自动控制算法

该算法以设定压力值和实际出水压力值作为变量，思路是系统启动后让实际压力值能够快速的接近甚至达到设定值，当实际压力值远远小于设定压力值就让变频器的频率变化快，由于流动的水的一些特性，比如惯性，一直处于加速中的水压即使变频器的频率不突变，水压还会一直增加，因此需要在实际压力值与设定压力值在一定的范围内就开始逐渐减少变频器频率的变化值，避免了超调，当实际压力值达到设定压力值时维持频率不变。当设定压力值小于实际压力值时，使实际压力值达到设定压力值时同样要注意快速响应、避免过度超调［10］。以上程序都是基于Sedona语言编写的，水压控制结构如图2所示。

图2 水压控制结构图

3.2 硬件配置

3.2.1 控制器、I/O、变频器的选择

系统选取主控制器Sedona30P，以及与它配套的I/O设备，变频器选择的是施耐德ATV12，控制变频器的输出频率由I/O设备模拟量输出端输出信号4－20MA控制，自动控制运算后的输出频率经Modbus TCP Network输入到30P的模拟输入端，每个泵的变频和工频开关量通过Modbus TCP Network通信输入到30P的开关量输入端。

3.2.2 控制电路的设计

进行控制电路的设计时，注意系统手动/自动切换，还有各个水泵的变频接触器和工频接触器在电气上的连锁，避免系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通变频电源的现象。

3.2.3 系统界面

该系统的界面包括运行概览，如图3所示;压力查询，如图4所示;系统设置，如图5所示等主要信息。运行概览可以直观的看出各个泵的运行状态、实际出水压力、设定压力、变频器的输出频率及有无报警等参数;实时曲线直观的显示出实际压力与设定压力每秒的关系;系统设置便于进行相关参数的修改，比如修改设定压力、变频器输出变换时间、切泵延时时间等。系统界面由组态软件做的，通过TCP Network与控制器30P进行通讯。

图3 运行概览

图4 压力查询

图5 系统设置

由实际压力曲线和目标压力曲线的比较可知:无论增加水压还是减少水压、系统调整时间短、响应速度较快、超调量微小、抗干扰能力强、运行稳定。

4 结束语

传统的供水系统多采用PLC或单片机作为控制器，不能较好地实现逻辑复杂的控制程序，开发周期长，消耗人力和物力大。该供水系统利用Sedona平台采用变频调速运行方式，根据实际用水水压的变化实时自动调节水泵电机的转速来加减泵，实现恒压供水，节能降耗。根据工作时间合理选择工作泵大小，提高整个泵组的使用寿命。人机界面做在组态屏里，方便改变参数，整套系统经过多种环境测试，运行情况良好、性能优越、操作简单。

［1］ 方大寿，李纪扣.模糊－PI复合控制恒压供水系统［J］.微小型计算机开发与应用，1996，(4):32－35.

［2］ 王兴，齐向东，郭建国.智能供水系统设计及应用［J］.计算机测量与控制，2007，15(5):624－627.

［3］ 孙小权等.基于PLC的变频恒压供水控制系统优化设计［J］.自动化仪表，2007，28(1):47－51.

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［5］ 肖进.基于Niagara的建筑智能化系统集成的设计与开发［D］.济南:山东大学，2011.

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［7］ 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.

［8］ 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.

［9］ 尚志红，刘斌.变频调速恒压供水的自动控制系统［J］.信息科技，2007(10):56.

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