摘 要：本文以臨清市自來水廠為例，設計了一套城市供水控制系統(tǒng)方案。系統(tǒng)集通信、網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線、PLC、計算機、微波通訊及自動化、遠程控制等諸多先進技術于一體，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術和自動化技術在城市供水系統(tǒng)中的應用。尤其詳細介紹了變頻器在系統(tǒng)中的應用。 關鍵詞：現(xiàn)場總線，遠程監(jiān)控，供水系統(tǒng) Abstract：The article is based on the real project, and designs a long-distance water supply control system for Linqing City. The project comprises the pump station control system, network, communication，computer center in the waterworks, the long-distance monitor of the water conservancy and the wired and wireless net transmission system ,and details the technique about the frequency converter in the systerm. Keywords: Process field Bus, Long-distance monitor, Water supply system 1.引言 　　近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設施等非生產(chǎn)用水）有175.7升增加到241.1升，增長了37.2%[1]，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成很多城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗進行人工手動調(diào)節(jié)很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時水位達不到要求,供水壓力不足，用水低峰期時供水水位超標,壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。 　　本文以臨清市自來水廠為例，設計了一套城市供水控制系統(tǒng)方案。整個供水系統(tǒng)主要包括兩大部分：水源地引水采集系統(tǒng)及水廠恒壓輸水系統(tǒng)。 　　水源地引水采集系統(tǒng)主要由6組現(xiàn)地供水井群組成。每組供水井群由一個現(xiàn)地井群集中控制室及5眼水井組成,每眼水井有一現(xiàn)地控制井房?，F(xiàn)地井群集中控制室設有本組水井高低壓配電系統(tǒng)及本組水泵啟停集中控制系統(tǒng)。5眼水井分別為1眼深井及4眼淺井，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#井，其中1#及2# 井分布在集中控制室，3、4、5#井以集中控制室為中心呈分布式分布。臨清市第二水廠主要由總控室中心控制系統(tǒng)、高低壓配電系統(tǒng)、蓄水池、加藥泵房、二泵房組成。其中總控室中心控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。二泵房共有4臺供水泵組成，其中50KW變頻泵2臺，75KW變頻泵2臺，主要完成對臨清市的變頻恒壓供水;總控室中心控制系統(tǒng)作為整個供水系統(tǒng)的監(jiān)控調(diào)度中心，負責整個供水系統(tǒng)的5臺輸水泵及30眼水井泵的集中調(diào)度與控制。 2.控制系統(tǒng)構(gòu)成 　　系統(tǒng)采用德國Siemens PLC（可編程序控制器）S7 200作為現(xiàn)場級測控設備，選用了帶PROFIBUS接口的PLC S7-300為主站，它為每一個現(xiàn)場級站點分配一個地址，在預定的信息周期內(nèi)與分散的站點交換信息，采用Simatic WinCC作為上位監(jiān)控軟件?？偪厥抑行目刂葡到y(tǒng)選用帶PROFIBUS-DP網(wǎng)卡（CP5611）接口的工控機WINCC為總主站，通過Profibus現(xiàn)場總線與二泵房控制單元中的S7-314和井群中心控制單元中的S7-314相連。其中，以井群中心控制單元中的S7-314為主站，井群現(xiàn)地控制單元中的S7-314為從站（此為電臺通信）;以井群現(xiàn)地控制單元中的S7-314為主站，單井控制單元中的是S7-222為從站，形成了多級遠程分布式控制系統(tǒng)。它通過二泵房控制單元中的S7-314在每一個信息周期內(nèi)收集變頻器狀態(tài)、閥門狀態(tài)、壓力、流量、水位等信息，把這些信息傳送到PC機，并把PC機的優(yōu)化信號送回，控制各水泵的啟停及轉(zhuǎn)速，配合閥門的控制達到優(yōu)化的目的。它通過井群中心控制單元中的S7-314控制水源地各水泵的啟停。系統(tǒng)集通信、網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線、PLC、計算機、微波通訊及自動化、遠程控制等諸多先進技術于一體，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術和自動化技術在城市供水系統(tǒng)中的應用。結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 3.變頻調(diào)速恒水位控制系統(tǒng)的應用 3.1變頻器的控制方式 　　變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾經(jīng)出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖3—1所示的基本結(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖3-1變頻器的基本結(jié)構(gòu)[/align] 　　變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。 　　1、V/F控制 　　異步電動機的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率f和極對數(shù)有關，改變f 就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變f的同時，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優(yōu)良。 　　2、轉(zhuǎn)差頻率控制 　　由電機學的基礎知識可知，異步電動機轉(zhuǎn)矩M與氣隙磁通Φ、轉(zhuǎn)差頻率f2的關系為： 　　（2-1） 　　只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉(zhuǎn)差頻率f2就可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。 　　3、矢量控制 　　矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能。 3.2變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理 　　一、水泵工況點的確定以及變化 　　水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。 　　如果把某一水泵的性能曲線（即H-Q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中（圖3-2），則這兩條曲線的交點A,就是水泵的工作點。 工作點A是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在A點。若把水泵的效率曲線η-Q也畫在同一坐標系中，在圖3-2中可以找出A點的揚程HA、流量QA以及效率hA。 　　從圖3-2中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工作點一定要保證水 [align=center] 圖3-2 水泵工作點的確定[/align] 　　工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中一個重要問題。 　　在變頻調(diào)速恒水位供水過程中，水泵工況點的變化如圖3-3所示： [align=center] 圖3-3水泵工況點的變化[/align] 　　當P1、P2高于P0時，說明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線A1、A2 向A0方向變化，此時水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由P2、P1逐漸下降，當P’ 低于P0時，其工況點變化與上述相反即由A1’逐漸向A0移動，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。 [align=center] 圖3-4水泵變速恒壓工況[/align] 　　根據(jù)3-4圖水泵變速恒壓工況分析：當管網(wǎng)用水由Q2、Q1….向Q0移動時，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使P0保持恒定。 　　二、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過程 　　交流電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關系： 　　n =60 f（1-s）/p （2—2） 　　式2—2中：　p¾極對數(shù),s¾轉(zhuǎn)差率 　　因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 　　當管網(wǎng)負載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從n1降低到n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速n,可使供水泵流量Q、揚程H和軸功率N以相應規(guī)律改變[37]。 　　Q1/Q2=n1/n2 （2—3） 　　H1/H2=（n1/n2）[sup]2[/sup] （2—4） 　　P1/P2 =（n1/n2）[sup]3 [/sup]（2—5） 　　或 H =KQ[sup]2[/sup] （2—6） 　　式2—6是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 　　在變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖3-5來說明。 [align=center] 圖3-5 變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖[/align] 　　由上圖可見，設定管網(wǎng)壓力值（揚程）為H0，管網(wǎng)初始用水量為QA，初始工況點為A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為n1，工作點A的軸功率即為AH0OQA四點所圍的面積。當管網(wǎng)負載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉(zhuǎn)速至n2,水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點A移至B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應減小.。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在H0,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速n2所對應的水泵性能曲線從點B移至C點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點C點，在圖中可以找出C點的揚程HC、流量QC以及效率hC ，工作點C的軸功率即為CH0OQC四點所圍的面積。 　　考察水泵的效率曲線h-Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。 　　三、變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定 　　考察水泵的效率曲線h-Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在50%-100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 3.3系統(tǒng)的方案設計 　　變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機的起動、運行與調(diào)速，其中兩臺大機（75KW）和兩臺小機（55KW）分別采用循環(huán)使用的方式運行。PLC上接工控計算機，水位傳感器采樣水池水位信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的模糊模塊,PLC根據(jù)這兩個信號經(jīng)模糊運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。PLC上接工控計算機，上位機裝有監(jiān)控軟件，對恒水位供水系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。 3.4系統(tǒng)工作過程 　　根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，白天一般只需開動一臺大泵和一臺小泵，就能滿足生產(chǎn)需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵;晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進行設計，即把1#水泵電機（50KW）和2#水泵電機（75KW）為一組，3#水泵電機（50KW）和4#水泵電機（75KW）分為一組。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。 　　分析自動控制系統(tǒng)的機組Ⅰ（1#、2#水泵電機）工作過程,可分為以下三個工作狀態(tài)：1） 1#電機變頻起動;2）1#電機工頻運行，2#電機變頻運行;3） 2#電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當源水的水位發(fā)生變化時，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。 　　1.切換過程Ⅰ 　　1#電機變頻起動，頻率達到50HZ,1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，水池水位低于設定水位下限hl，按下相應的按鈕,選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下, KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟起動，1#電機起動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻f0（即50HZ），可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后,開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端,接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開,2#電機開始軟起動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到水池水位達到設定值為止。 　　2.切換過程Ⅱ 　　由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機單獨變頻運行狀態(tài)。 　　當晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值f[sub]min[/sub]，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限Ph時（2# 電機f=f[sub]min[/sub],P>Ph）,在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機從工頻斷開，2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。 　　3.切換過程Ⅲ 　　由2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻f0（即50Hz），水池水位低于設定水位上限H時，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開， KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開; KM2得電,1#電機接至變頻器輸出端;接通變頻器FWD端,與此同時變頻器BX端斷開,1#電機開始軟起動?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。 　　在PLC程序設計中，必須認真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。 　　1#和2#機組工作過程流程圖如下： [align=center] 圖3-6機組Ⅰ工作過程流程圖[/align] 　　若選擇機組Ⅱ（3#和4#水泵電機）運行，其工作過程和上面類似。 4.結(jié)束 　　該控制系統(tǒng)將PLC、變頻器、相應的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并設計了配套的界面美觀、操作方便的自動控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析等方面的工作量。實踐證明，系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)約用電一項就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值。 參考文獻 　　1. 王效良 馬思樂《集散控制系統(tǒng)原理及應用》 1998.5 　　2. 陽憲惠，現(xiàn)場總線技術及其應用 清華大學出版社 1999.6 　　3. 張燕賓 SP WM 變頻調(diào)速應用技術（第二版）[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2002 　　4. 韓安榮 ，通用變頻器及應用[M]。機械工業(yè)出版社，2000. 　　5. SIEMENS STEP7 5.3編程手冊 　　6. SIEMENS WINCC 組態(tài)手冊（1-6）