基于物联网的恒压供水控制系统设计*

王炯锡

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

1 恒压供水控制系统设计目标

1.1 用水情况分析

根据某校校园各时间段总用水量统计数据可知，实际用水高峰时间段大概在每天的6：00~8：00、17：00~18：00以及20：00~21：00，其他时候用水量相对较少，同时，水管管道压力随用水量升高而升高，随用水量降低而降低。

1.2 恒压供水控制系统初步设计

恒压供水控制系统是指在水站中利用电机的调速装置，调控水站中的各水泵及泵组，从而实现对水站的调速运行，并根据实际需求自动调节各水泵及泵组的工作状态，实现恒压供水，以便实现管道内的孔隙水压力发生变化后仍能保持平稳的流量和节能的目的[1]。校园供水控制系统的真正目标，在于实现管道出口水压的平衡。控制系统能够根据通过管道的实际用水量和实际孔隙水情况，利用PID算法改变供水站中运行系统的工作频率，从而调节给水管网的水量及压强，实现学校供水管网的恒压功能。

在对某高等院校用水情况进行分析后，初步设计该校园恒压供水系统应具备以下要点：1）系统自动运行；2）自动、手动都能实现控制供水；3）紧急制停功能；4）保证水压合适；5）相关保护功能；6）自报警功能；7）储存相关数据；8）监控功能；9）降低用电能耗；10）备用系统等。

2 恒压供水系统的工作原理

变频恒压供水系统主要由水泵、主电路、相关的频率转换器、测试压力的设备以及PLC构成，其中变频器将系统内电源的供电频率转换成系统相应的参数，而PLC则需要根据当前系统的运行状况，进行闭环，调整整个系统的工作状态，维持供水系统的稳定和平衡[2]。供水系统在工作时通过水压力变送器，将管道的压力立即反馈给PLC，利用PLC自动控制系统实现对变频器的控制，从而保障整个系统的稳定。

其中，控制变频器的方法主要有两种，第一种为PAM方式，基本原理是利用整流和逆变，保持恒定的电压以及固定频率的电源，便于调节供水系统的电压和相应的频率，一般来说，其整流和逆变之间的操作较为复杂，导致控制电路的难度加大，此种方法并不常用。第二种为PWM方式，主要是将输出电压以每半个周期为节点将其均分为上千个脉冲波，通过PWM中的平均电压及其占空比的正变换关系将其输送到逆变电路，就是使PWM控制系统内部的反向元件从而调节电源的频率，改变电压占空比，最终将调节好的电压与频率的正弦电源变为适合供水系统使用的电源。PWM系统操作简单，电路的设计难度较低，被广泛用于变频恒压供水系统的设计中[3]。为了避免水泵低效率地运行，需要调节变频器的工作频率，在实际工作中将扬程控制在高效区，降低水泵的速度，电动机的负载能力也会相应地下降，系统在此种方式下还可以保持电动机最大的工作效率，降低水、电等的消耗，一般来说，可以节约15%~50%的电能，节约15%~30%的水，提高企业的经济效益。总而言之，PLC变频恒压控制系统与传统的供水系统相比，由于无需安装水塔、水箱以及气压罐等装置，能够减少占地面积、节约成本，减少对周边环境的影响[4]。

3 基于物联网的恒压供水控制系统的硬件设计

3.1 人工方式

供水系统的设计主要是为了解决当前高层居民的供水不稳定问题，具有高性能、投资小、节能环保等优点，现阶段已经被广泛应用，主要是将用户所需要的供水压力值与系统设计的保护压力值输入系统内部，令用户实际需要的供水压力值小于系统内的保护压力值，一旦压力值过大，则供水系统能够自动关闭，保护系统内设备的安全。该系统主要是采取一对多的设计方案，即利用一台变频器控制三台水泵。另外，由于系统中安装了PLC自动控制系统，可以完全实现对整个供水系统的控制，还可以自动进行数据信息的扫描，令系统内部的资源使用效率达到最高，操作控制的系统主要有两种运行方式，即人工手动控制以及CPU控制。在采取人工控制时，则可以任意地开启或者关闭水泵，而且还可以任意地调整水泵的工作频率，甚至在水泵工作时依旧可以调节频率。需要注意同一时刻系统内的三台泵机，只能调节一台泵机的频率，受限于技术设计，人工操作无法保证出水管压力的恒定，必须人为地进行控制。因此人工手动的操作方式主要被应用于测试系统初始状态、性能，供水系统发生故障时的紧急维修，或者通过调节频率，检测水泵的速度[5]。

3.2 CPU控制

供水系统处于正常的运转状态时，通常采取自动化的运行方式，在该模式下，供水系统保持较高水平的自动化程度，工作人员按下系统内部的启动键，系统内部则将自动赋值，根据当前用户的实际用水量调节水泵的转速以及具体应用的水泵数量，有助于提高供水系统内部的机器利用效率，保障每台水泵最大程度地发挥作用。系统的内部还设计了故障检测功能，实时监测设备的运行状态以及系统内部各个环节的工作情况，一旦发现设备发生故障，立即报警，同时将故障信息和位置传送到显示屏，便于工作人员进行故障维修，节省了工作人员的故障排查时间，提高了维修的效率和质量，保障了供水系统的安全、稳定。此外，如果系统内部的故障直接影响到整个系统的稳定，则CPU将立即发出报警信息，系统自动停止，能够起到良好的系统保护效果[6]。一旦断电导致系统无法正常运转，凭借系统供水网之间的压力值，低楼层的居民依旧能够获得用水。

4 基于物联网的恒压供水控制系统的软件设计

4.1 手动控制

恒压供水系统的软件设计主要包括系统内部的程序控制、挡位设计、PID程序运算设计以及增泵功能的设计，系统在开始工作前，需要进行初始化，判断压力传感器输送的信号能否满足水泵的运行条件。当管道内部的压力大于压力的上限时，则系统内部自动减少水泵的数量；一旦管道内部的压力小于压力的下限，则自动增加水泵的工作数量。其中，PLC系统按照管道的压力值进行相应的调节，PLC变频恒压系统的软件主要有两种控制方式，即自动控制方式与手动控制方式。其中手动控制方式主要是利用PLC系统中的手动操作界面，输入按钮从而实现对系统内部各个设备的控制，而且手动控制还可以同时转换系统内部三个电机的工作状态，不受系统内部的逻辑限制，也无需考虑压力传感器传回的信号[7]。

4.2 自动控制

自动控制方式则是先分析供水系统检测到的传感器状态，然后调节整个控制设备的启动、停止、调速、频率，作为控制闭环设备的依据。其主要的设计原理是利用压力设备检测系统内部的水位值，然后将数据转化为20 V~25 V的电压，同时将其传送至控制器，进行A/D的转换，转换成相应的数字信号后输送给PLC自动控制系统，数字信息在PLC中被分析、比较、存储。系统内部的实际值与PLC系统的设定值之间存在一定的误差，可以利用该差值调节电源的频率，实现对输出频率的控制，有助于调节整个电动机组的工作，最终令整个供水系统不断地进行信息采集、分析、处理等过程，实现对供水系统的自动控制[8]。例如，自动启动程序时，系统开始自动执行数据库内部的数据与函数，实现PLC和其他设备的连接，确保系统的硬件能在软件的控制下执行各个指令。在系统运行时及时地进行故障的检查与提示是较为重要的工作，一旦系统内部的程序检测到异常故障，能够实时进行故障提示并且在屏幕上显示故障位置，便于工作人员及时进行维修，保证供水系统的供水安全、稳定。同时，利用系统程序设置的水压值与外部水压实际值之间的差值，控制水泵机组的电源工作频率，令系统的电压保持恒定，保证供水量。总而言之，PLC与变频器恒压供水系统主要通过自动方式进行控制，通过调节变频速率控制泵机的转速，提高当前的供水效率与质量，保障供水系统稳定运转，PLC变频恒压供水系统还能有效地降低能耗。因此，推广使用PLC变频恒压系统对于我国居民用水的安全、稳定具有重要的使用价值[9]。

5 基于物联网的恒压供水控制系统设计的原理和技术

5.1 物联网在PLC自动控制系统中的编程概述

PLC自动控制系统主要是通过编程来对不同的组件进行控制，对于供水系统来讲，PLC控制系统需要根据实际的供水系统参数模型来分析处理数据，从而推断出实际的设备运转参数，再将指令发送给供水设备来实现自动化管理供水系统。因此，在设备生产和设备运转之前对实际的运转情况进行管理，才能让设备在投入使用的时候更加安全和稳定。从人工控制转到智能控制，不仅带动了供水系统的发展，还能将供水系统的衍生行业和自配套设施联合起来，做到更加优越、功能齐全的供水系统，并且在硬件方面也能做到简化和缩小，可以进行简易的安装和维护工作，为后期的供水生产自动化提供便利[10]。

5.2 物联网在PLC自动控制系统中的编程分类

在PLC领域有诸多编程种类，编程种类可以按照型号和输入的PLC数据进行分类，分为小型数据、中型数据和大型数据，小型数据一般用于设备开关的控制，它可以包含一部分的逻辑算法和定时等功能；中型数据主要用于设备运转数据的统计和分析，也是在PLC数据中占比较大的一部分数据；大型数据的分析需要结合通信和网络来进行，目前物联网的PLC自动控制系统在小型数据、中型数据和大型数据的分析上已经较为完善。PLC的编程分类还有一种就是按照设计结构来进行分类，例如整体结构虽然在运行和操作上比较方便，但是在后期的维护过程当中会有一定的难度，因为每一个组件都有自己不同的内部结构，部分结构出现故障的时候还有可能对其他装置系统造成干扰，物联网PLC自动系统在结构方面是对单独控制的系统进行编程，模块结构的自动化配置在使用的时候较为灵活，可以根据实际的使用场景进行针对性的程序分配，具有较强的自动化控制能力。

5.3 加强物联网与PLC技术的融合发展

从PLC技术出发，新技术的引入肯定会改善传统的供水方式，PLC新技术给供水系统带来了不一样的前景，并且物联网与PLC技术已经步入了成熟阶段。在自动化控制领域已经可以满足部分行业要求，自动化编程技术也在微处理器方面取得了不错的成就，为物联网技术进行广泛推广和使用提供了可靠的依据。