自動供水系統的設計

程偉

摘要：供水系統在生活和工業現場是必不可少的關鍵設備，傳統系統中有采用水泵的，有采用變頻的，而現在供水系統大部分采用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，使得不同領域的恒壓供水系統達到高性能、高節能成為技術的發展趨勢。本文主要運用PLC及PID調節技術設計了一套恒壓供水系統，分別進行了硬件系統和軟件系統的設計和開發，開發了操作方便，參數可以顯示的上位機界面，并通過系統的調試和試運行，整個系統運行效果良好，達到了用戶的需求。

關鍵詞：自動供水；恒壓供水；PID調節

中圖分類號：TP214 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0190-02

水是一種特殊的、不可替代的資源，同時水也是一種可重復使用、可再生的資源。水運用在各行各業，也是我們生活必不可少的珍貴財富。我國目前還是一個發展中國家，更加要注重對水資源的有效利用。恒壓供水調速系統可實現水泵電動機的無差調速，根據用水量的變化，自動調節供水的壓力（即水流量），在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水的需求。對供水系統進行的控制是為了滿足對水流量的需求，考慮到在動態的情況下，水管內的水壓力的大小與供水和用水之間的平衡情況，當供水量大于用水量時，壓力上升，水泵不工作或者功率減少；當供水量小于用水水量時，壓力下降，到達設定壓力下限時，為了保證供水的正常，水泵開始工作或者加大功率，為水箱注水。

1 硬件系統設計

1.1 上位機

由觸摸屏、計算機組成。

觸摸屏：安裝在現場，通過與PLC的通訊，實現對現場設備及參數的監測與控制。

計算機：安裝在主控室，通過與PLC的通訊，實現對現場設備的監測與控制，同時還能實現監控變量的記錄、打印、報警等功能，功能較為強大。

1.2 下位機

主要由CPU模塊、I/O模塊組成。

CPU模塊：選用西門子S7-300系列，其是控制系統的核心，負責系統的中央控制，根據I/O模塊的輸入信號，順序執行程序，執行后的輸出信號經I/O輸出模塊傳送至現場設備，從而達到控制現場設備的目的；通過MPI或DP通訊口實現與上位計算機或觸摸屏等設備的數據傳送，實現通信功能；同時具有自診斷功能，可以檢測錯誤并記錄和報警。

I/O模塊：有數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊之分。輸入模塊實現數字量和模擬量信號的采集，輸出模塊把輸出信號傳遞給外圍執行設備，從而實現對數字量和模擬量設備的控制。

1.3 檢測元件

由現場檢測儀表組成，主要有超聲波流量計、壓力變送器、液位計等儀表。

1.4 執行機構

通過變頻器、電動閥等調節閥門的大小來控制介質流量，從而實現壓力、流量等參數的控制。

2 軟件系統設計

系統的軟件由兩大功能模塊組成：計算機控制系統和觸摸屏控制系統。

2.1 控制原理

作為一個控制系統，控制算法是編程的主要依據。目前，PID調節是控制理論中技術最成熟、應用最廣泛的一種算法。本系統采用PID調節實現對壓力和流量的精確控制。基本流程圖如圖1所示。

2.2 計算機控制系統

使用WinCC flexible 組態軟件，對各個壓力和流量測控。主要有泵房系統畫面、生產泵控制、循環泵控制、PID控制、報警、實時數據、參數設置等幾部分構成，可以實現以下功能：

（1）壓力和液位的檢測、報警；（2）PID參數的調節；（3）報表的查詢、預覽、打印；（4）實時數據和歷史曲線的瀏覽、打印。

2.2.1 系統外部流程

（1）蓄水池進水管流量監控；

（2）回水泵站液位監控：回水箱上面的四個指示燈分別代表左右側水箱的液位上下限指示；

當液位處于下限位以下時，下限指示燈為紅色，上限指示燈為綠色；

當液位處于下限位之上，上限為之下時，下限指示燈為綠色，上限指示燈為綠色；

當液位處于上限位之上時，下限指示燈為綠色，上限指示燈為紅色。

（3）吸水池液位、集水坑液位監控；

（4）集水坑液位高限報警設置；

（5）各個井內排污泵運行狀態監控：

M1：1#蓄水池進水管儀表井排污泵；

M2：2#蓄水池進水管儀表井排污泵；

M3：1#蓄水池出水管溝排污泵；

M4：2#蓄水池出水管溝排污泵；

M5：吸水池出水管溝排污泵；

M6：回水泵站排污泵；

M7、M8：泵房集水坑排污泵；

M10：電極箔供水總管儀表井排污泵。

（6）回水泵站兩臺回水泵運行頻率、電流等運行狀態監控。

2.2.2 報警記錄

報警出現的時間及報警信息，可以通過報警記錄方便的查詢出現故障的時間及原因。

（1）系統報警信息記錄；（2）吸水池、集水坑、循環泵房水池液位超限報警記錄；（3）各個電機的故障報警記錄；（4）加壓泵房電機通訊故障報警記錄；（5）報警提示框，如圖3所示。

當系統出現報警時，控制畫面將自動彈出報警提示框。報警提示框可以紀錄三條報警信息，最上端的報警信息為最新報警。當報警解除后，報警提示框自動消失，操作員也可以手動關閉報警提示框，但是此時報警信息并未消除，單擊報警提示的三角警示圖標，可以顯示和隱藏最新的三條報警信息。

電動閥的操作分為手動操作和自動操作。

手動操作狀態下，操作員通過閥位給定，手動給定電動閥開度，同時可以通過下方的市政水壓力與流量監控，判斷開度給定值是否合適，閥位反饋值為電動閥當前的開度反饋。

自動操作狀態下，操作員需要設置吸水池自動關閥液位及開閥液位，PLC控制器將自動判斷吸水池液位，當吸水池液位高于關閥液位時，電動閥將自動關閉，當吸水池液位下降至開閥液位時，電動閥自動開啟，開度為30%。

關閥液位也是吸水池液位的報警值設定。

3 結語

水是生產生活中重要的組成部分，人們對供水質量和供水系統的可靠性提出了更高的要求。我國水資源短缺并且分布不均，同時在市政供水、工業生產供水等方面自動化程度低，特別是在用水高峰時，誰的供給量低于需求量，浪費了大量的人力、物力和財力。自動供水系統極大提高了效率，節省了資源，因此在當今節水、節能和高效時代，采用先進的自動化技術、控制技術和計算機技術，設計出高性能、高節能的自動供水控制系統成為發展趨勢。

參考文獻

[1]方承遠.工廠電氣控制技術.北京：機械工業出版社，2000.

[2]王永華.現代電氣控制及PLC應用技術（第三版）.北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[3]童詩白.模擬電子技術基礎.北京：高等教育出版社，2000.

[4]西門子公司.SIMATIC S7-300可編程序控制器系統手冊，2011.

[5]崔堅，李佳，楊光.西門子工業網絡通訊指南.北京：機械上業出版社，2008.