自动供水系统的设计

程伟

摘要：供水系统在生活和工业现场是必不可少的关键设备，传统系统中有采用水泵的，有采用变频的，而现在供水系统大部分采用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，使得不同领域的恒压供水系统达到高性能、高节能成为技术的发展趋势。本文主要运用PLC及PID调节技术设计了一套恒压供水系统，分别进行了硬件系统和软件系统的设计和开发，开发了操作方便，参数可以显示的上位机界面，并通过系统的调试和试运行，整个系统运行效果良好，达到了用户的需求。

关键词：自动供水；恒压供水；PID调节

中图分类号：TP214 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0190-02

水是一种特殊的、不可替代的资源，同时水也是一种可重复使用、可再生的资源。水运用在各行各业，也是我们生活必不可少的珍贵财富。我国目前还是一个发展中国家，更加要注重对水资源的有效利用。恒压供水调速系统可实现水泵电动机的无差调速，根据用水量的变化，自动调节供水的压力（即水流量），在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水的需求。对供水系统进行的控制是为了满足对水流量的需求，考虑到在动态的情况下，水管内的水压力的大小与供水和用水之间的平衡情况，当供水量大于用水量时，压力上升，水泵不工作或者功率减少；当供水量小于用水水量时，压力下降，到达设定压力下限时，为了保证供水的正常，水泵开始工作或者加大功率，为水箱注水。

1 硬件系统设计

1.1 上位机

由触摸屏、计算机组成。

触摸屏：安装在现场，通过与PLC的通讯，实现对现场设备及参数的监测与控制。

计算机：安装在主控室，通过与PLC的通讯，实现对现场设备的监测与控制，同时还能实现监控变量的记录、打印、报警等功能，功能较为强大。

1.2 下位机

主要由CPU模块、I/O模块组成。

CPU模块：选用西门子S7-300系列，其是控制系统的核心，负责系统的中央控制，根据I/O模块的输入信号，顺序执行程序，执行后的输出信号經I/O输出模块传送至现场设备，从而达到控制现场设备的目的；通过MPI或DP通讯口实现与上位计算机或触摸屏等设备的数据传送，实现通信功能；同时具有自诊断功能，可以检测错误并记录和报警。

I/O模块：有数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块之分。输入模块实现数字量和模拟量信号的采集，输出模块把输出信号传递给外围执行设备，从而实现对数字量和模拟量设备的控制。

1.3 检测元件

由现场检测仪表组成，主要有超声波流量计、压力变送器、液位计等仪表。

1.4 执行机构

通过变频器、电动阀等调节阀门的大小来控制介质流量，从而实现压力、流量等参数的控制。

2 软件系统设计

系统的软件由两大功能模块组成：计算机控制系统和触摸屏控制系统。

2.1 控制原理

作为一个控制系统，控制算法是编程的主要依据。目前，PID调节是控制理论中技术最成熟、应用最广泛的一种算法。本系统采用PID调节实现对压力和流量的精确控制。基本流程图如图1所示。

2.2 计算机控制系统

使用WinCC flexible 组态软件，对各个压力和流量测控。主要有泵房系统画面、生产泵控制、循环泵控制、PID控制、报警、实时数据、参数设置等几部分构成，可以实现以下功能：

（1）压力和液位的检测、报警；（2）PID参数的调节；（3）报表的查询、预览、打印；（4）实时数据和历史曲线的浏览、打印。

2.2.1 系统外部流程

（1）蓄水池进水管流量监控；

（2）回水泵站液位监控：回水箱上面的四个指示灯分别代表左右侧水箱的液位上下限指示；

当液位处于下限位以下时，下限指示灯为红色，上限指示灯为绿色；

当液位处于下限位之上，上限为之下时，下限指示灯为绿色，上限指示灯为绿色；

当液位处于上限位之上时，下限指示灯为绿色，上限指示灯为红色。

（3）吸水池液位、集水坑液位监控；

（4）集水坑液位高限报警设置；

（5）各个井内排污泵运行状态监控：

M1：1#蓄水池进水管仪表井排污泵；

M2：2#蓄水池进水管仪表井排污泵；

M3：1#蓄水池出水管沟排污泵；

M4：2#蓄水池出水管沟排污泵；

M5：吸水池出水管沟排污泵；

M6：回水泵站排污泵；

M7、M8：泵房集水坑排污泵；

M10：电极箔供水总管仪表井排污泵。

（6）回水泵站两台回水泵运行频率、电流等运行状态监控。

2.2.2 报警记录

报警出现的时间及报警信息，可以通过报警记录方便的查询出现故障的时间及原因。

（1）系统报警信息记录；（2）吸水池、集水坑、循环泵房水池液位超限报警记录；（3）各个电机的故障报警记录；（4）加压泵房电机通讯故障报警记录；（5）报警提示框，如图3所示。

当系统出现报警时，控制画面将自动弹出报警提示框。报警提示框可以纪录三条报警信息，最上端的报警信息为最新报警。当报警解除后，报警提示框自动消失，操作员也可以手动关闭报警提示框，但是此时报警信息并未消除，单击报警提示的三角警示图标，可以显示和隐藏最新的三条报警信息。

电动阀的操作分为手动操作和自动操作。

手动操作状态下，操作员通过阀位给定，手动给定电动阀开度，同时可以通过下方的市政水压力与流量监控，判断开度给定值是否合适，阀位反馈值为电动阀当前的开度反馈。

自动操作状态下，操作员需要设置吸水池自动关阀液位及开阀液位，PLC控制器将自动判断吸水池液位，当吸水池液位高于关阀液位时，电动阀将自动关闭，当吸水池液位下降至开阀液位时，电动阀自动开启，开度为30%。

关阀液位也是吸水池液位的报警值设定。

3 结语

水是生产生活中重要的组成部分，人们对供水质量和供水系统的可靠性提出了更高的要求。我国水资源短缺并且分布不均，同时在市政供水、工业生产供水等方面自动化程度低，特别是在用水高峰时，谁的供给量低于需求量，浪费了大量的人力、物力和财力。自动供水系统极大提高了效率，节省了资源，因此在当今节水、节能和高效时代，采用先进的自动化技术、控制技术和计算机技术，设计出高性能、高节能的自动供水控制系统成为发展趋势。

参考文献

[1]方承远.工厂电气控制技术.北京：机械工业出版社，2000.

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[4]西门子公司.SIMATIC S7-300可编程序控制器系统手册，2011.

[5]崔坚，李佳，杨光.西门子工业网络通讯指南.北京：机械上业出版社，2008.