基于PLC的廠區供水模式的優化設計及實踐

黃家偉

（廣西北海市供水有限責任公司，廣西 北海 536000）

基于PLC的廠區供水模式的優化設計及實踐

黃家偉

（廣西北海市供水有限責任公司，廣西 北海 536000）

基于PLC控制技術的城市供水監控模式，是在傳統控制方式基礎上添加的新的具有節能效果好、自控程度高、運行設計高的自控設備，既能夠解決泵房內無人值班、中控職守、節能降耗并安全經濟運行的情況，也能夠增強供水系統的自動化水平的可靠性和穩定性。

城市供水；PLC；遠程監控；監控系統設計

1 供水系統的組成

（1）城市供水系統的組成。城市供水系統是一套集水源水工程并涉及采集、加工水處理和輸送到供水管網、用水戶等各個過程環節的系統工程。輔助系統包括廠區監控系統、配電系統等。城市供水系統的具體組成部分：①采集：通過水泵從天然水的水庫采，集如：北郊水廠需要加工處理從牛尾嶺水庫輸送水。②加工處理部分：將采集的天然水通過加藥、混凝、沉淀、過濾、加氯。③另一種地下水采集：通過潛水泵行深井地下水采集，如禾塘水廠、龍潭水廠將采集水輸送到廠區，通過沉淀、加氯、加石灰等各個環節水處理之后，變成合格的飲用水。④送水：將處理好的合格飲用水，從水處理廠（生產廠）重新輸送到城市供水管網或大型用水企業的供水管網。

（2）監控系統的組成。監控系統是由自動控制、供水過程的數據采集以及全廠閉路視頻監控系統等構成的。供水過程的數據采集和自動控制系統，都是由上位監控管理計算機和現場PLC子站來實現的。上位監控管理計算機經過對數據的分析、處理、存儲，并對各種工藝參數做出趨勢曲線，通過自控系統控制進行操作，便可讓系統功能開始修改和設置控制參數，從而給各個PLC子站下達相關指令，以達到自動監控和控制的目的。而設置在廠區及構筑物內部的關鍵部位的閉路視頻監控系統，主要的功能則是對各種工況、工段、工藝設備、電氣設備等的瀏覽監控，以便讓管理者能夠及時掌握供水系統、配電系統、輸送水泵等的具體運行情況。

2 供水系統的控制流程

供水系統主要包括水源輸送部分、恒壓變頻供水部分以及HMI的控制部分。

（1）水源輸送有地表水輸送和地下水供給，其中地表水水源豐富，但制水成本高，地下水限制開采，資源有限。

（2）恒壓變頻供水部分。用壓力傳感器檢測出水泵出水管網處的水壓后，來比較壓力信號和給定水壓，并通過PID控制器來控制變頻器來實現對水泵的調速和水泵數量的增減，并逐漸來形成給定壓力為基準的壓力閉環系統，繼而實現恒壓供水。在PLC系統接到啟動指令后，用PLD模塊測出壓力和設定壓力的差調節變頻器的輸出頻率來控制設定值，并讓用水量和供水量達到水位的平衡。水泵工作在變頻運行狀態后，通過PID來調節模塊來增大或降低水泵的轉速。如果管網水壓力增加或者用水量減少那么便會導致水泵的轉速減小。當管網實際的壓力還未達到設定值時則用系統將設定的水泵切換到工頻運行，繼而啟動轉換水泵，讓管網壓力達到設定值該有的范圍。而當用水量下降水壓升高時，管網的實際壓力還在設定值以上時，那么就應該立即停止原設定水泵的運行，并用變頻器來調節轉換泵的運行頻率，從而讓管網壓力重新回到設定值。

（3）HMI控制部分。HML是系統用來監控的人機界面系統，手動、自動、頻率顯示、泵的運行方式顯示、故障報警、顯示、故障報警以及顯示等都是HMI系統的主要功能。PLC系統都有對開關狀態的手動或者自動切換和檢測，如果選擇的是自動功能，所有控制和報警功能均是由PLC系統自動完成，但如果選擇的是手動功能，則應該在檢測之后自由的切換開關狀態。

3 基于PLC供水系統的廠區供水模式工作原理

在供水系統中，基于PLC的廠區供水模式的程序，是以PLC作為整個控制系統的核心，并可以負責輸入信號采集、控制負載運行以及PID恒壓供水調節以及HMI人機界面的數據交換。該供水系統是采用變頻器來拖動大功率電動機，并在變頻和工頻兩種不同的方式下開始運行。

4 PLC的軟件設計

（1）手動和自動方式的無擾動形式的切換。在實際操作中，操作人員為了解決一些沖突和生產調度的要求，需要及時切換生產工作方式才可以滿足供水管網需求。切換過程中既不能讓各級泵組的工作狀態受到影響，也不能讓泵組在短時間內啟停，更不能由于工作方式的轉換，而造成間歇性的水壓不穩定，造成供水管網產生水錘影響。

（2）測控的自動化。PLC系統要根據城市管網的水壓從而自動控制輸、送水泵組、通過調節變頻泵的運行工況。在自動方式控制泵的情況下，先用二級泵來調節整個出水管道的壓力，并在小于壓力設定范圍中去尋找累計工作時間最短的泵啟動或變頻自動調速，一直到水管壓力恢復到設定的范圍之內，保證管網恒壓。

（3）預警功能要得到完善。為了防止輸、送泵空轉、過載以及缺相的現象發生，要特別設置電流、出水壓力檢測傳感器。在二級泵6臺機組的電流信號大于額定值的1.1倍或者小于0.3倍時狀態或設定值或者是出水壓力信號小于或大于設定值，且兩種情況都會持續一定設定時間值，則應該立刻控制配電并及時報警，相應運行工況的指示燈也會變閃爍示警；如果清水池水位高于設置點時，應該及時報警并自動撤停一級輸送泵回水；如果管網壓力小于或者高于限定值時，應該及時聲光報警并自動撤換或變頻調速二級送水泵。

（4）智能化設計。每個泵都有運行、停機、故障三種狀態，通過智能識別方式識別泵的三種方式，先從泵的停機狀態中找出工作累計時間最少的泵。然后從整個泵的系統設計關鍵環節中用最真實、最正確的狀態確定整個供水系統的可靠性。PLC系統應繼續保持復位指令、標志位指令等相結合的方式，來成功解決關鍵性的問題。

（5）壓力PLD控制。在PLC系統工作啟動自動狀態后，PLC自動啟動對系統正定PLD參數，并在完畢后讓系統安裝所得參數進行PLD控制，并根據控制量的輸出情況和壓力測量值的大小來進行泵組運行調配。

5 PLC系統控制方案

（1）系統功能規劃方式。供水泵房的供水系統雖然已經實現對供水的瞬時流量和對數據的采集，但若是能進一步提高對管理系統的管理效能，那么優化方案便是必然的途徑。而優化系統方案的途徑最好的方式則是以下幾種：①要實時監測供水工況。要測量市政管網的出水壓力、清水池水位及水源水回水量并對泵組工況和全程運行狀態進行采集，并且可以用太網傳送的方式傳送到中控系統，并顯示到能源管控主屏幕的組態畫面。②供水方式的自動切換模式。若要實現供水方式的自動切換，則應該將上位機設置為默認狀態的控制程序，然后再通過軟啟停扭來實現供水方式的自動切換功能。如果市政管網的出水水壓比定值低，那么二級泵將會抽調整泵組進行城市管網供水。反之，則由水源水調節向廠區回水。③供水峰值時段。為了能夠更好的管理清水池中的水質，水量，系統應該定期調配水泵并進行供水。所以，設定一個能夠手動設置供水方式和用水峰值的時間裝置，才能夠滿足城市用水。

（2）系統的配置。PLC控制器則先進行了軟件編程之后，再運行和操作及第三方設備的通信將總出水電動閥傳感器和清水池中夜位變送器采集信息，都可以采用工業進行太網進行傳輸。PLC的傳輸系統輸入信號包括電動閘閥和增壓水泵系統的開關和反饋信號，并通過太網和工業的方式傳輸到水源管理系統當中，并從主屏幕的組態畫面中，切實觀察到市政管網水壓和清水池水位高度的動態變化過程。

（3）系統控制架構。系統的網絡控制架構可以分為三層：現場設備層、信息管理層、過程控制層。現場設備層采用的是現場總線通訊網絡，并將PLC和水壓傳感器、液位變送器和電動閘閥等現場設備相連接在一起，從而保證系統數據采集的實時性和準確性。過程控制層：采用工業太網，遵循TCP通信協議，將上位機和PLC控制器連接起來，并用網絡傳送來實現對現場設備的數據采集，以及指令控制。信息管理層：用上位機先用組態軟件組間圖形畫面，并從控制對象中采集數據且記錄到實時數據庫中。圖形工作站和系統之間通過太網來實現高速數據的通訊檢測，從而達到控制現場設備和精確操作的目的。

（4）PLC控制程序設計。將PLC的工作過程分為采樣輸入轉化、執行用戶程序以及輸出刷新。而用戶的程序則是水位、水壓數據模擬量的采集和轉化、手動與自動供水方式的選擇、供水峰值的預警和水位報警系統的提前預警以及增加水泵系統的啟動和停止。主程序需要一開始給就輸入PLC模擬量并進行復位操作。等到復位完成后，主程序再按照一定的周期通過RUN的模式，進行循環掃描。啟動現場的PLC控制程序，準備好初始化所需要的各種寄存器，再采集市政管網出水壓力、清水池水位，并設置成默認狀態自動和手動，然后開啟增壓泵系統，并進行清水池供水模式。如果水壓大于等于設定值，則必須關閉泵系統，開啟電動閘閥，進入到市政管網的直接供水模式。而在該模式下，進入供水峰值時段選擇模塊則能夠選擇管網供水設定調整、清水池供水峰值時段以及具體的時間切換。而能夠保證水質水量安全的系統默認設定期時間，如果水位高度高于設定值的30%，則可以增壓泵系統開啟；而水位高度在設定值30%以下的，則得開啟電動閥，并關掉泵系統。如果清水池水位高度大于設定值100%或者低于設定值30%，則應該執行報警程序并進行緊急處理。PLC控制流程如圖1所示：

圖1 PLC控制流程圖

圖2 現場控制電路圖

基于PLC的廠區供水模式系統，是通過計算機網絡通信技術、廠區閉路視頻監控技術以及網絡控制技術等結合起來，從而構成城市供水系統的供水模式。以上對各種供水模式的優化和實踐都較好的提高了供水系統的安全和穩定性。

［1］羅德俊.城市供水系統幾個新技術的應用及發展［J］．建筑電氣，2014，（5）:22-24．

［2］楊曉萍，解建寶.高爐供水計算機監控系統的開發設計［J］.西安工業學院學報，2015，17（3):212－216．

黃家偉（1959-），男，廣西北海人，大學專科，工程師,主要研究方向：供水在線運行及水質丶儀表聯網實時檢測（監控）。