管网叠压供水控制系统的设计与研究

赵孝武

摘 要 管网叠压供水系统是一个包含了水泵机组、控制单元、降压保护装置以及管路系统等功能模块的综合控制系统，提升管网叠压供水控制系统对于降低能源消耗、提升二次供水系统的效率以及降低对环境的污染等有至关重要的作用。因此本文在前人研究的基础上对供水控制系统的基本原理和功能特点进行了系统的介绍，并重点针对控制方案和硬件设备、控制系统的组成和程序设计等几个方面探究了管网叠压供水控制系统的设计和实现方案，希望对我国供水系统的智能化发展提供一定的理论支持。

关键词 管网；叠压供水系统；智能化；PLC；供水系统；设计

中图分类号 F3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）08-0057-02

水资源是人类生产和生活赖以继续的根本，在当今城市工业和生活用水日益紧缺的严峻形势下，提升水资源的利用效率，同时降低对环境的污染是当前政府能源规划部门和水利公司关心的焦点问题，另外，作为城市规划中的重要影响因素之一，水资源的管理和分配也成为城市发展布局中的重要元素，应该引起全社会的共同关注。管网叠压供水系统的基本原理就是在城市供水管网压力允许的情况下，取消现有的水池和高位水箱，叠加市政供水的剩余压力，并直接从供水网管中取水加压。该供水系统可以加强对供水剩余压力的利用效率，从而在降低能耗的同时减少环境污染，并实现供水控制系统的智能化和高效化。但是该技术系统在我国的发展时间较短，目前全国各地还没有形成统一的工作规范和基本的工作制度，且没有形成良好的市场竞争，这些都是今后市政供水系统重点关注的焦点内容。

1 管网叠压供水控制系统的组成和工作原理分析

1.1 系統组成

管网叠压供水系统是在变频调速供水的工作方式上发展起来的，因为其叠加了市政管网供水系统的剩余压力，故而得名。叠压供水系统由于去掉了传统供水系统中的高位水箱和水池，因而避免了二次供水造成的资源浪费和环境污染，同时还节省了大量的内部空间，因而具有广泛的推广和应用价值。从基本构成上来看，叠压供水系统主要由压力传感器、数控柜、稳流罐、变频泵、压力传感器以及止回阀、负压补偿器和支架等部分构成，其组成流程图1。

1.2 控制原理

由于叠压供水系统采用的是恒压变频控制系统，因此其变频控制算法采用的是PID算法。PID控制系统以其操作简单、算法简便、系统功能完备以及适应性好的特点被广泛的应用到现代工业生产领域，并成为自动控制领域发展历史最长、应用范围最广以及好评度最高的自动控制系统。同时，PID控制系统只需要利用简单的硬件和软件系统就可以实现基本的工业生产需求，因而是众多工业领域尤其是自动化控制领域中的基础应用系统之一。另外为了更好地满足设计需求，并保证恒定的工业和生活用水压力值，本文中采用带有PID自动调节模块的变频器来实现基本的供水控制需求，从而保证供水工业领域的发展。

PID控制调节器的基本工作原理如下：通过给定的压力输入值r（t）和输出值y（t）之间的差值e（t），然后通过一系列的微分、积分和比例运算再通过线性拟合和线性组合求出系统的控制量u（t），最后通过控制量调解输出值，将目的偏差函数e（t）调节成零，使得输入值和输出值之间达到理想的平衡，继而达到稳定输出的最终效果。自从信息技术和数字技术进入到自动控制系统以来，微处理器技术就逐渐代替了模拟处理技术，同时微处理器技术也成为PID控制系统中的基本控制技术。从本质上来说，PID控制算法是通过对下式进行离散化处理来实现的：

式中：KP为比例常数；Tl为积分时间常数；TD为微分时间常数。

2 控制方案和硬件系统的选择

本文中设计的主要原则和基本思路是通过控制单元让变频器控制多台水泵同时工作，同时还实现了输出水压的恒定、水泵系统的软启动和供水频率的调节，因此具有稳定、安全和控制简单的特点。因此选用PLC+变频器+上位机+水泵系统+压力传感器的工作模式即可满足基本的工作需求。同时系统还提供了完备的信息交互和自动控制功能，当出水口压力发生变化时可以第一时间通过控制系统的及时反馈调节工作模式，并对变频器和水泵的工作状态进行调节，保证稳定的供水输出。

2.1 可编程PLC设备的选取

可编程的PLC系统是整个叠压供水系统的核心和关键，并起到了关键的控制中枢的作用，因而在PLC设备的选取过程中应该尽量保证系统的合理性和适应性，保证供水控制工作的顺利进行。同时大部分的PLC设备都有可编程功能，将控制系统运行的程序放在系统中的存储器中，并利用基本程序完成逻辑控制，保证整个控制系统的顺利进行。通常来说PLC设备具有控制简单、可靠性高、通用性强和功能相对完善的典型特征，可以满足基本的供水系统工作需求。目前市面上的可编程PLC设备有上百种之多，他们型号各异，功能特征也不近相同，如西门子公司生产的S7-200PLC设备具有可靠性高、硬件稳定性好、体积小以及性价比高的特点，是目前我国各地区自来水供水企业自动控制系统中的主要应用型号之一。另外，在选用了西门子公司的S7-200型PLC设备之后，再综合比较各型号的CPU的功能指标，发现CPU226具有逻辑运算速度高、稳定性好等特征，可完美地进行逻辑判断、处理存储和处理、子程序的调用以及中断操作，故此在本文中采用该型号的CPU进行自动控制系统的构建。

2.2 变频器的选型

对于用水需求较为普通的用户，对于水泵机组的功率和负载要求不是很高，这时通过选择性能一般的水泵就可以满足工业需求。变频器的基本工作性能可以用额定容量、电机功率和额定电流等3个要素来衡量。为了满足中型城市的基本用水需求，本文中选用了西门子公司生产的MM430型号的变频器来参与系统设计。

西门子公司生产的MM430变频器内置PID控制调节器，可用于简单的系统控制，同时变频器具有六位的编程器，可以通过人工编码实现对供水系统的个性化和功能性控制。另外，MM430编码器具有两个模拟量输入端和两个模拟量输出端以及两个可编程的继电器输出，可满足基本的系统控制需求，因而具有广泛的应用前景。

2.3 上位机的选型

随着智能控制技术和设备的不断发展，触摸屏控制设备已经逐渐代替了传统的PC控制设备，同时与传统的PC控制方式相比，触摸屏控制方式具有简单方便、工作效率高、安全性和稳定性高等特点，工作人员只要轻轻触摸触摸屏上的相关文字或是图形就可以实现相应的控制功能，极大地提升了工作效率，对于那些对计算机控制系统不是很熟练的技术人员来说无疑是一个利好的消息。

从兼容性和统一性的角度考虑，本文中使用到的上位机设备也从西门子公司采购。通过纵向和横向的比较，选用了西门子K-TP？178型号的上位机。该上位机是S7-200PLC设备的专用显示和触摸屏，该触摸屏的大小为5.7英寸蓝色4级灰度显示屏，开机和响应时间均较短，无论是大小和基本性能都可以满足供水系统显示和控制的实际需要。同时该触摸屏还具有防振动、防尘、防水以及鲁棒性高的特点，与之配套的Wincc？flexible软件系统稳定性和灵敏性都较高，可以最大限度地保证日常控制工作的顺利进行。

2.4 压力传感器的选型

压力传感器也是叠压供水系统中的基本组成元素之一，其基本工作原理是通過压敏材料将压力信号转化成1-5V/4-20mA的模拟电信号，并通过信息传输装置将这种模拟信号传输到PLC设备中，然后PLC根据基本的逻辑和判断运算发出正确的操作指令。实际选用中为了降低干扰信号的影响，同时降低信号失真现象的发生，并最大限度地与PLC设备兼容，本文中选用了丹佛斯公司生产的额定输出电流在4～20mA之间的电流型号的压力传感器。

3 控制系统的组成和程序设计

3.1 系统组成

根据上文中提到的叠压控制系统的基本硬件结构和所确立的基本控制方案，该系统的系统构成主要由以下几方面组成：PLC控制器、变频器（MM430）、压力传感器和触摸屏等。其中PLC控制器、变频器和压力传感器等构成系统的信息控制部分，触摸屏是整个叠压系统的显示和控制部分，这两部分协同工作共同完成管网叠压供水控制。另外，PLC控制系统是整个叠压控制系统的核心与关键，通过可编程系统的逻辑运算达到平衡出水压力的目的。变频器进行变压调节，实现闭环自动调节出口压力保持恒定，最终达到控制流量的目的。

3.2 控制系统的逻辑设计

从实际工作需求和系统的设计及实现功能来看，其PLC控制系统的内部程序功能，主要分为以下几个方面：系统初始化、控制水泵机组、系统启停、压力频率比较计算以及报警功能等。其中控制水泵机组的程序又综合控制着电机的启停、工作频率的改变和电机的切换等基本工作程序，压力和频率的比较计算也综合控制着模拟量初始化和模拟量数据处理两个方面。通过叠压供水系统的控制系统结构图可以清楚地了解各个子程序之间的连接关系和隶属关系，使得系统的设计和维护更加方便，从而更好地完成对供水系统的结构和功能设计。

控制系统的工作模式如下：叠压供水系统完成初始化后，首先由检测系统对实际供水压力进行检测，如果检测的供水压力小于市政供水压力的下限值，将直接控制报警系统对工作人员进行警示，然后计算压力设定值和实际市政供水压力值之间的差值，如果设定压力值小于实际供水压力值，则差值为正，否则为负。这个压力差值经过运算后可以转换成相应的频率变量，将其与变频器的输出值相加而成为变频器当前应输出的频率。通过该计算频率实现对水泵机组转速和转矩的实际操控，达到稳定输出供水压力的作用和效果。然后重复上述步骤，通过系统的内部调节和设定，达到压力设定值和实际输出值之间的平衡关系，实现供水压力的稳定输出。另外，当水泵的转动频率达到水泵的上限或是下限时，这时为了保护系统需要和保护水泵机组不受损坏，应该通过PLC控制系统的相关功能控制增加或减少参与工作的水泵数量，维护系统的正常运行。

4 结论

综上所述，供水系统的设计和实现是市政部门工作的重点和难点，管网叠压供水系统中由于去除了水池和高位水箱，从而实现了能源的充分利用并有效降低了环境污染，对于促进市政建设水平具有至关重要的意义和作用。本文根据工程实际设计了一套基于PLC的管网叠压供水控制系统，以实现多台水泵的控制和恒压调速。系统采用压力传感器采样管网压力，后经过PLC进行PID控制运算处理后变成变频器频率，通过变频器来调节电机转速从而实现出口恒压供水。

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