加压站恒压供水装置远程监控系统的设计

宋乔乔，王军丽，闫玉萍，张恒也，李杰

(1.苏州电器科学研究院股份有限公司，江苏 苏州 215011;2.飞利浦中国投资有限公司，上海 200233)

0 引言

长期以来，我国的水资源比较匮乏，城市供水、工业供水等存在很大的缺陷，由变频调速技术和可编程控制技术参与控制的恒压供水系统被广泛地应用于工业、农业、科研及民用等领域［1］。该系统以蓄水池水位和供水管网压力作为控制对象，通过调节供水压力来调节供水量，提高了供水的稳定性，改善了生产效率和人们的生活水平，同时，具备高效节能等优点。

1 系统的方案设计

本系统主要由PLC、变频器、压力变送器、流量传感器、控制线路及水泵等组成。系统采用三台水泵，两用一备的设计，用一台变频器控制三台水泵运行，主要包括控制中心、监控中心、水源区现场终端和通讯环节。如图1所示为控制系统的原理图。

图1 控制系统原理图

1.1 控制中心

控制中心设在主站，由西门子S7-300系列的PLC来控制［2］。控制中心的功能是向水源现场监测站发送读/写命令，并接收现场监测站反馈回来的数据信息，完成对数据信息存储、分析和处理等任务。

加压站将水源区的水蓄积在一个水池内，在蓄水池中用液位监测器对水位进行监测。水源区各水泵的启/停以加压站蓄水池的液位状态为运行目标，通过从站的三台水泵为用户供水。同时，PLC控制中心根据流量传感器和压力变送器的变化可以看出用水情况。为达到高效供水和节约用水的目的，主站PLC通过变频器来调节电机的转速，从而控制从站水泵的启动运行。

1.2 水源现场

水源区控制终端主要完成现场的数据采集与转换、信息存储与控制、故障报警等功能。水源现场终端通过GPRS模块与监控中心和主站进行数据通信，以便工作人员及时观察现场设备的运行状况，快速、准确地对水源区现场所反馈的数据信息作出相应处理。

1.3 系统流程分析

系统启动后，根据出水管网上的压力变送器，将出水口的压力信号变成标准电压信号送至控制中心PLC的模拟量输入模块SM331，经过PLC的程序运算与给定的压力参数进行比较，再经过程序运算得到控制变频器的具体参数，通过模拟量输出模块SM332将最终信号送给变频器，由变频器控制水泵的转速以调节加压站的供水量［3-4］。

在变频器中设定上限频率和下限频率，为满足用户用水的需求，系统利用变频器来调节水泵电机的转速［5］。当用水量变大时，变频器的频率迅速上升到上限频率，这时PLC输出到变频器的模拟量也是最大值，当超过设定时间时，PLC就作加泵处理;反之，亦然。因此，系统通过调节水泵电机投入工作的台数和控制一台电机的转速，可以保持供水管网的工作压力恒值不变，从而达到变频恒压供水的目的。

2 系统的硬件设计

2.1 MM430供水型变频器

西门子MM430供水型变频器是当代新颖的变转矩负载专家(如风机和水泵)，功率范围为7.5 kW～250 kW，具有传动平稳、低速轻载的优点。

图2 变频器控制电路图

如图2所示为变频器控制电路。分析可知，AOUT1、AOUT2端口接CPU224 PLC的EM231模块B+、B-端口，作用是传输变频器实际运行的模拟信号;AINI1+、AINI1-端口接EM231模块的A+、A-端口，目的是接收水源区远程压力信号;DINI、OV端口接EM222模块的SA0、1L，用于接收变频器启/停信号;变频器的其余几个端口与CPU 224 PLC的KA1～KA3继电器相连，用来与变频器进行故障信号通信。

2.2 PLC控制回路

在设计PLC控制回路时，弱电与强电之间的隔离是首要考虑的问题。为维护PLC装置，其输出端口须经过中间继电器控制电机的运行，其端口不可以直接连接交流接触器。设计在两者之间引入中间继电器，其目的是为了解决强电与弱电之间隔离的问题，起到保护系统、增强系统运行可靠性和延长系统使用寿命的目的。综上所述，PLC接线如图3所示。

2.3 控制系统信号间的传递

控制系统各信号间的传递关系如图4所示。

从图4中可以看出，首先PLC的开关量Q0.0启动系统，将水池管网压力Uf送到变频器，通过PLC与变频器的相互作用依次启动水源区三台水泵，接着根据用水量和管网压力来调节变频器的工作频率，选择水泵的启/停。当系统运行出错时，故障报警灯闪烁，提示系统出错。通过信号间的传递完成整个系统的运行与监控过程。其中，(KA1，I0.0)为变频器故障信号，(KA2，I0.1)为变频器频率降低信号，(KA2，I0.2)为变频器频率 =50 Hz信号。

图3 PLC控制接线图

图4 控制系统各信号间的传递关系图

3 系统的软件设计

3.1 恒压控制系统

系统的程序设计是采用模块化的编程方法，根据现场设备及系统要求，设计了各种子程序功能模块，通过模块间的互相调用实现控制要求。恒压控制的流程如图5所示。

图5 恒压控制的流程图

系统对水源区的三台水泵进行控制，通过调节压力变送器与变频器，最终实现了加压站的恒压供水。针对现场调节阀及变频器等的应用，子程序模块可直接调用系统功能模块。

3.2 水泵切换与报警

控制系统在设计过程中主要考虑PLC程序运行的合理性、可行性等问题。图6为控制系统的水泵切换与报警流程图。

从流程图中可以看出，控制系统的报警与水泵切换程序主要包括检测报警程序和水泵电机切换程序两部分。报警程序分为变频器故障报警、蓄水池液位报警;水泵电机切换程序分为加泵程序和减泵程序。

3.3 从站PLC与主站PLC的通讯

主站PLC与从站PLC之间的通讯程序主要包括接收数据指令和发送数据指令两部分，各从站PLC与控制中心PLC通过GPRS无线网络进行数据通讯［6］。整个通讯回路中，各从站PLC都有其相对独立的通讯地址，主站通过不同的地址来区分不同的从站PLC，各从站PLC接收主站PLC发送过来的数据指令。从站PLC首先接收由主站PLC发送过来的数据指令，并加以执行，再将正确的数据指令反送出去;而主站则通过检索并判断接收到的地址信息，对相应从站PLC的数据进行整理，修改，调试并储存，最后主站PLC再将修改后的正确数据发送给从站PLC，流程如图7所示。

图6 系统水泵切换与报警流程图

图7 从站PLC接收主站PLC状态数据的流程图

4 结束语

本文以变频器和PLC作为控制设备，实现了水源区各水泵电机的切换控制与报警处理。该系统根据流量传感器和压力变送器的变化，调节变频器的运行频率来满足用水需求，保证了供水的稳定性与可靠性，使系统更加灵活、智能，维护更加便利。

［1］宋序彤.我国城市供水发展有关问题分析［J］.城镇供水，2001，21(2):22-25.

［2］崔坚.西门子S7可编程控制—STEP7编程指南［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］压力传感器变送器选型样本［R］.宝鸡:宝鸡传感器研究所，1995.

［4］郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术［M］.南京:东南大学出版社，2004.

［5］金传伟，毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用［J］.电子技术应用，2000，26(9):38-39.

［6］孙永红.基于GPRS的PLC远程通信在水环境监测系统中的应用［J］.水利水文自动化，2007，25(4):21-23.