雨水回收与绿化灌溉集散控制系统的研究与设计

徐 亮，王 辉

（1.江苏信息职业技术学院电气工程系，江苏无锡 214153；2.无锡苏晟智能环控设备有限公司，江苏无锡 214000）

雨水回收与绿化灌溉集散控制系统的研究与设计

徐 亮1，王 辉2

（1.江苏信息职业技术学院电气工程系，江苏无锡 214153；2.无锡苏晟智能环控设备有限公司，江苏无锡 214000）

介绍了一个运用集散控制技术实现对小区雨水回收与绿化灌溉综合管理的方案。通过分析雨水回收利用的工艺流程，设计了相应的控制系统硬件构成，制定了控制方案，编写了监控计算机程序。经试验证实该方案能够稳定运行且便于管理。

雨水回收；绿化灌溉；集散控制；恒压灌溉

0 引言

就取水方式而言，传统的绿化灌溉一般分为河水灌溉与自来水灌溉两类，其中河水灌溉受到水源位置、水源水质等诸多因素的限制不能普遍适用，而自来水灌溉则是成本不菲，两种取水方式各有弊端。因此，收集利用雨水逐渐成为解决绿化灌溉取水问题的主流手段，在学术界与技术应用领域都展开了热烈的讨论[1]。文[2]系统地介绍了目前国内外雨水、污水、中水常见的回收、处理手段与使用情况。文[3]介绍了一个以调蓄排放、收集回用为手段的雨水回收、利用与绿化灌溉的实际的综合案例，该方案自实施以来运行稳定，年节水可达8 880 m3。

目前应用最广泛的灌溉设备还是以手动方式为主，仅靠简单的起停水泵实现灌溉的目的。这种控制方式显然具有操作简单、设备成本低廉的优势，但在需要大面积灌溉的应用场合则管理难度巨大，同时，水泵启动过程中产生的“水锤”效应对管网具有一定的破坏作用。为了解决传统灌溉设备的种种弊端，同时也得益于自动控制技术的发展，雨水自动回收技术与灌溉自动化技术便在这样的背景下逐步发展起来了。文[4]以克拉玛市独山子区园林绿化灌溉系统的自动化改造为例，分析了传统灌溉模式的种种弊端，阐述了园林绿化灌溉自动化改造的必要性，分享了其改造的经验与思考。文[5]介绍了一个雨水回收与灌溉的全自动控制系统，并在北京奥林匹克森林公园投入使用，该系统自动化程度极高，集水、处理、灌溉流程完全自动运行，无需人为干预。

1 控制系统总体规划

本项目为无锡市滨湖区某高档住宅区自动雨水回收与绿化灌溉系统，该住宅区占地约7万平方米，绿化面积约2.9万平方米，绿化率超过40%。将绿化带大致等分为8个区域，通过8个泵站分别进行雨水收集与绿化灌溉。每个泵站通过单独的PLC实现控制功能，所有PLC通过工业以太网总线与集中监控室内的计算机相连，可实现监控室集中监控与每个泵站的分布式控制。系统拓扑图如图1所示。

图1 系统拓扑图

2 泵站设计

每个泵站负责一定范围内的雨水收集、处理和绿化带灌溉，既能通过安装在电器柜操作面板的按钮，也能通过集中监控室内的监控计算机对该泵站实施控制。

2.1 泵站工艺流程

泵站水处理工艺流程如图2所示。雨水首先进入弃流井，通过使用雨量传感器检测是否下雨，非雨天时弃流管道电磁阀打开，污水由弃流管道直接进入市政管网，雨天时弃流管道电磁阀闭合，雨水由进水管道流入沉淀池；沉淀池内经过初步沉淀去杂的雨水由加压进水泵抽取并进行加药、过滤处理后进入清水池；清水池内的水既可由恒压灌溉装置抽取用于绿化灌溉，也可直接由反冲洗水泵抽取用于过滤装置的冲洗。

2.2 泵站控制电路设计

控制系统电路简图如图3所示。图3中M1、M2、M3三台水泵分别为加压进水泵、反冲洗泵和灌溉泵。主控器选用西门子S7-200 PLC，型号为CPU224 CN，该PLC具有14个数字输入点与10个数字输出点，1个RS485通信口用于程序下载和与变频器进行通信。由于本项目需要用到16个数字输入点，因此选用了西门子EM221 CN进行了数字输入扩展，该模块具有8个数字输入点。PLC通过西门子工业以太网通信模块CP243-1接入以太网局域网。

图2 水处理工艺流程

图3中省略了PLC及其数字量扩展模块的接线部分，该部分详见表1、表2。

值得注意的是，表1中I0.0～I1.1为PLC本体的输入点，I2.0～I2.5为扩展模块EM221 CN的输入点。

2.3 泵站控制方案

图3 泵站控制系统电路简图

泵站控制系统分为四个独立的控制子回路。

表1 泵站PLC输入连接列表

表2 泵站PLC输出连接列表

（1）弃流电磁阀控制回路

电磁阀的开闭完全由系统自动控制，雨天时电磁阀关闭，非雨天时或者当沉淀池水满时电磁阀打开。

（2）加压进水泵起停控制回路

加压进水泵的起停必须人为控制，当然为避免系统空载，当沉淀池水位下降至下限位或者清水池水满时自动停止加压进水泵。加压进水泵起动的同时也打开了加药装置，反之加压进水泵停止的同时也关闭了加药装置。起动与停止信号可以由泵站控制面板给定，也可由系统上位机监控计算机写入。

（3）反冲洗泵起停控制回路

反冲洗泵起停必须人为控制，该回路是一个简单的起-保-停控制回路。为避免系统空载，当清水池水位下降至下限位时自动停止反冲洗泵。

（4）恒压灌溉控制回路

恒压灌溉回路的起停必须人为控制，当然为避免系统空载，当清水池水位下降至下限位时自动停止恒压供水。本项目选用信捷VD4-47P5型变频器，通过变频器的FWD输入端子由一个开关量控制变频器起停。变频器外接标准的4～20 mA电流型水压力传感器，通过变频器自身内置的PI调节器构成一个如图4所示的单闭环控制回路。PLC与变频器通过RS485总线实现点对点通信，通信协议为MODBUS-RTU，其中PLC作通信主站，变频器作通信从站。控制回路的压力给定值可以通过变频器面板设定或者由监控计算机经PLC写入。PLC自变频器读取的管路压力、变频器输出频率等重要参数，最终由监控计算机通过总线读取显示。起动与停止信号可以由泵站控制面板给定，也可由系统上位机监控计算机写入。

图4 恒压供水单闭环PI调节控制回路框图

3 监控计算机程序设计

监控计算机位于小区物业监控室内，通过工业以太网总线与各泵站PLC相连，起到监视、控制各泵站运行状态与运行参数的作用。

计算机监控程序使用C#2008开发而成，具有与PLC通信、数据存储、即时/历史数据显示、动画/曲线显示等功能，程序功能框图如图5所示。其中与PLC通信功能基于OPC技术实现，本方案选用西门子公司的OPC工具——PC Access，OPC服务器作为监控程序与下位机PLC之间的“数据中转站”，接收监控计算机发出读写数据的命令，然后自动与PLC进行相应的数据交换。后台数据库采用了微软Access，通过ADO.NET技术实现了数据存储与历史数据读取的功能。

Research and Design of Rainwater Recycling and Greenbelt Irrigation Distributed Control System

XU Liang1，WANG Hui2
（1.Electrical Engineering Department，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi214153，China；2.Wuxi Susheng Intelligent Environment Equipment Co.，Ltd，Wuxi214000，China）

This paper introduced a project of applying distributed control technology to realize the integrated management of rainwater recycling and greenbelt irrigation for a residential area.Through analyzing the process of rainwater recycling and utilization，the corresponding hardware construction of control system was designed，the control scheme was made，the monitor program was written.The experiment proved the project could run stably and manageable.

rainwater recycling；greenbelt irrigation；DCS；constant pressure irrigation

TP273

A

1009－9492(2014)07－0102－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.030

2014－01－19