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摘要：本文介绍了如何应用设备层、控制层以及信息层三层架构模式，并基于Profibus、ControlNet数据传输总线技术，融合在线监测、自动控制、PID闭环调节、安全预警等信息监控手段，构建安全、智能的供水自控系统的设计思想。
关键词：恒压供水；现场总线；变频调节
1、概述
近几年，随着自动化控制技术的发展，特别是信息技术的快速发展，工业自动化和管理信息化的结合已成为工业控制系统的发展趋势。在供排水控制技术水平不断提升的今天，以行业的新特点、新变化，对供水过程提质降耗、改善供水水质、管控一体的要求做了很深刻的探讨，并结合目前工业企业自动化系统的开放性、集散性、智能性、信息电子化和网络化的特点，确定了总体设计思路，以适应不同用户的各种不同特点工艺控制要求和管理要求，来满足工艺的精确控制与满足管理现代化的信息管理系统。
我们针对水泵房供水系统，满足对生产过程的调度和指挥，同时也为了解决企业生产过程自下而上的信号采集、传输和实现自上而下的控制与管理，并根据水泵房具体情况，采用罗克韦尔公司自动化的基于CompactLogix可编程控制器的自控供水系统和RSView SE人机监控组态软件的系统。系统一方面将满足集中监视、智能化控制和便于操作人员集中操作的使用需要，实现泵房的数据采集、监测、传输以及控制；另一方面也将结合现代管理思想和最新计算机技术、网络技术和图形技术，向上通过与管理系统的连接，获取或接收生产计划、生产调度指令、工艺质量要求等信息，使生产计划部门、质量管理等部门能与管理计算机、主控CompactLogix可编程控制器进行数据交换，对全线进行监控和管理；向下通过对供水生产工艺数据及设备运行数据的采集和存贮，建立一个完善的生产过程数据信息资源共享的环境，从而实现整体调控、全局优化“以信息控制为目的，集中监控，分散控制”，完善供水控制能力和提高资源调控能力。同时，借助CompactLogix PLC支持的TCP/IP通讯方式，实现数据远距离传输也将显得尤为方便。
系统一般由现场设备层、逻辑控制层、数据监控层等组成。它所具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。
基于PLC的恒压供水监控系统的基本组成单元是CompactLogix可编程控制器。它完成对现场数据的采集、传输和对现场设备的控制。恒压供水系统所涉及到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等并基于当前较为流行的Profibus、ControlNet数据传输总线技术，融合在线监测、自动控制、PID闭环调节、安全预警等信息监控手段，旨在构建一套安全、智能的供水自控系统，其总体架构如下图所示：
整个系统分为MCC设备现场控制级、PLC控制级和生产管理级三层管控架构，采用开放式可扩展性操作平台：
现场控制级――现场按钮/指示灯、操作站、传感器、执行元器件及其辅助触点，提供了现场设备操控、供水管网检测、传递控制等功能。其中：E+H公司的水位、流量、压力传感器基于Profibus DP总线，AB公司的触摸屏、变频器、软起动器基于ControlNet总线。变频器、软起动器均安装于ABB公司的MNS低压成套开关柜，水泵电机加装的PT100铂金温度电阻，通过补偿导线接入昆仑海岸JWB温度变送器。此外，在监控系统或网络故障停用及维修调试时，由ABB公司的成套控制柜上的操作按钮通过传统的接触器/继电器电路，仍可直接对水泵进行启停操作；
PLC控制级――选用AB CompactLogix PLC作为主控单元，担负供水系统的核心控制，接收监控层下达的指令，检测现场设备、开关状态及传感器、执行元器件的反馈信号，根据预定功能进行逻辑运算后，通过执行设备（如：变频器、软起动器等）控制水泵有效作业，同时自动计算、存储设备累计运行时间，对系统运行中出现的故障还将按故障点所属区域（如：生产生活变频泵、潜水泵、稳压罐等），在PLC柜的面板上做出报警指示，对于水位超限还将在值班室提供声光报警信号；
生产管理级――选用Siemens工控机作为管理计算机，其上运行罗克韦尔公司的RSView SE监控软件，提供实时、直观的供水系统监控画面和曲线，实现对现场的监测。供水调度人员可以根据采集的数据进行生产调度和指挥。
通过采用在线式的UPS不间断供电电源，可保证在停电故障时各控制设备及现场仪表仍能安全可靠地运行，不丢失数据。
系统按功能划分，由电气控制和信息传输两部分构成。其中，信息传输主要将采集到的数据上传以实现远程监测及管理分析。
电气控制系统由传感器、执行元器件、PLC、现场操作站及管理计算机构成。控制系统示意图如下：
电气自动控制系统中，PLC通过Profibus DP总线采集水位、压力、流量传感器信号，实时检测水池水位、供水管网压力及流量，根据需要通过ControlNet动态地对变频器或软起动器运行参数调整；触摸屏挂于ControlNet现场总线与PLC通讯，管理计算机与PLC通过工业以太网通讯，上述两种人机界面（HMI）均可实时监控系统内设备运行状态、报警信息、参数实际值的波动情况，必要时可对参数重新设定，以实现安全供水；同时还将提供一套手动控制功能，在维护、检修或自动控制系统故障时，可通过现场控制按钮，直接控制水泵的启停。
由于系统可实现信息的逐级传输和系统的逐级控制，各个站点又具有独立的工作能力，因此系统的灵活性和可靠性将大大提高。同时这种方式也适合于企业现行的管理模式。
2、自控系统技术实现方案
2.1 技术架构
整个基于PLC恒压供水监控系统的技术架构在设计上分为四个层次：1）应用层；2）平台层；3）数据服务层；4）通讯服务层。
应用层
应用层主要是指系统的具体应用功能，也就是前述中所涉及到的监视功能、控制功能、管理功能、数据采集功能。
平台层
平台层是应用层的支撑平台也是整个系统的技术核心层，主要包括软件平台和硬件平台。应用层的功能将在平台层上的软硬件平台上进行设计、开发、调试和部署。
数据服务层
数据服务向系统提供生产管理系统制定的计划数据、作业任务数据、生产数据、标准数据和其他文档数据信息。
通讯服务层
通讯层位于设备控制系统、生产管理系统和厂级管理系统和数据服务层之间，主要完成底层I/O通讯、数据采集和与其它业务系统的数据交换等功能。
2.2 控制方式
a）按钮控制――将“手动/自动”钥匙开关切换至手动控制时，可通过安装于现场控制盒上的按钮，对各水泵进行启停操作；
b）PLC控制――当系统运行于自动控制状态时，PLC将根据现场反馈的设备状态、传感器参数值及用户设定值，按逻辑程序对变频器等设备进行实时调整控制，即根据需要自动投入运行、变速、停止、先启后停、后启先停、轮换作业、故障报警等。此外，通过CompactLocgix PLC还将自动计算、存储设备累计运行时间，以便准确控制、管理分析；
c）触摸屏监控――通过人机界面，可方便地了解设备的运行状态、监测参数值，还可对设定值进行调整、启停设备；
d）监控站监控――通过监控画面上的切换按钮打开对应画面，供水系统总貌、设备状态、参数、报警等信息将直观地以图形、数值、曲线、报表等方式呈现在监控画面上，并可根据需要查看、修改设定参数值，启停设备，监控画面如下图所示：
2.3 理论基础
a）控制方法――系统采用控制多台水泵以轮循的方式工作，以PLC为控制器中心，以设定压力和反馈压力为控制目标，以PID为控制算法组成闭环控制系统，以变频器作为工频运行回路或独立的后备系统。实时采集、分析水网参数、设备运行状态等数据，达到优化运行、可靠保护、确保供水、节约电耗的目的。
b）作业模式――以4台主泵采用3用1备的工作方式为例，在监控画面将对水泵控制分为“手动”、“主用”、“轮换”等几种工作方式，“手动”方式下，水泵只受操作画面上的手动按钮控制；“主用”工作方式在接收到控制系统启动信号后，自动起动已选中的主用泵，在水泵运行期间，如主用泵无故障将一直用主用泵进行供水；当选用“轮换”工作方式时，默认1-3#泵为主用泵，假如设定运行周期、泵延时时间分别为72小时和5秒，则在接收到控制系统启动信号后起动1-3#泵，运行72小时后启动4# 泵，同时延时5秒停1# 泵，再运行72小时后起动1# 泵，同时延时5秒停2# 泵，再运行72小时后起动2# 泵，同时延时5秒停3# 泵，再运行72小时后起动3# 泵，同时延时5秒停4# 泵，依此循环。下图为PLC实现此类功能编程示例：
c）PID调节――以压力PID控制为例，由压力变送器、水泵、变频器、PLC组成闭环控制系统，PLC将压力传感器检测到的压力与设定值比较，如差值较大则自动按预定的比例、积分、微分系数来进行调节，以使实际压力接近或达到设定压力，通过监控站或触摸屏PID调节界面可监测各参数的波动情况，必要时将相关参数进行调整后下传给PLC，系统将按新的参数进行控制，PID控制回路结构如下图所示：
典型的增量式PID控制公式如下：
ΔuI＝Kp［eI－ei-1＋（T/Ti）eI＋Td/T（eI－2ei-1＋ei-2）］
Δui：增量输出
Kp：比例系数
Ti：积分时间常数
Td：微分时间常数
T：采样周期
eI：当前给定量与输出量的偏差
ei-1：eI前一次的差值
ei-2：ei-1前一次的差值
d）水量预测――统计数据说明，供水管网用水量具有根据时间进行周期性变化的规律。根据历史用水量，运用数学统计方法可进行用水量的预测，常用的方法有线形回归分析、卡尔曼滤波、灰色系统模型等方法。建议选用比较简单、实用的线形回归分析法。下面是一个日预测用水量的线形回归模型：
Qd=QA（1+B1△T+B2W+B3V）（m3/d）
Qd：预测日用水量（m3/d）
QA：过去若干日（15~30天为宜）平均用水量（m3/d）
△T：预测日最高气温对于过去若干日最高气温平均值的增量（℃）
W：天气变化因数，晴天W =0，阴天W =-1，雨天W =-2
V：假日因数，非假日V =0，假日V =-1-2
B1，B2，B3：线形回归系数，可采用最小二乘法求得，大多数在0.8以上
e）优化运行――供水管网运行成本主要分为两个方面：供水成本和泵站运行电费。根据日用水量的预测，可调控供水量和泵站运行，真正做到有目的性的主动调控供水管网运行，起到节省运行成本最大化作用。供水管网运行成本费用的调度简易模型如下表示：
CW=CS+CP
CW：供水管网运行成本费用
CS：供水成本
CP：泵站运行电费
f）指标分析――水泵出口流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，消耗的轴功率与转速的三次方成正比。对水泵进行调速运行，不仅对供水流量与压力进行调节，而且有着非常明显的节能效果，对于水泵存在如下关系：
Q=K1*N H=K2*N2 P=K3*H*Q=K1*K2*K3*N3=K*N3
H：扬程
Q：流量
N：转速
P：轴功率
2.4 实施细节
a）设备自动启停
水泵将按操作人员设定模式进行投运，同时根据现场反馈信息，自动判断、控制设备启停。例如：通常情况，水泵将按轮换作业模式进行运作，当水池液位或管网压力偏离设定范围时，PLC系统将能自动切换、起动相应的水泵，或禁止某些水泵起动。此外，当前控制设备报警或发生其他故障时，将自动执行停机、切换设备功能。
b）优化控制
以24小时为周期，根据用水量不同可分段设定供水压力，PLC依据设定值自动运行；以“先入先出”为准则，对水泵进行优化组合，循环投切。通过对变频机组负荷的实时计算，确定各泵的开、停时间，使各泵在高效区段工作并磨损均匀；通过对供水量的计算，也将限制水泵在临界状态的频繁起停。
c）设备监控
实时显示供水管网内各设备的运行状况、参数值、设备累计运行时间，并可通过点击监控界面上的设备图形弹出其控制面板，直接进行启停控制或参数调整。
d）保护措施
利用变频器模拟量输入通道对变频泵电机热敏电阻阻值进行监测，通过PLC配置的模拟量输入模块对变流/恒压卧式泵电机PT100铂金电阻阻值进行监测，当达到触发阻值，控制系统将根据工艺要求实现报警输出、报警指示、报警停机等不同的动作，并把报警时的包括电压、速度、电流等完整的信息储存下来供用户调用。
水池缺水、设备故障等不利因素产生时，系统将根据现场情况，实行最小影响范围内的自动停机保护，并提供声光报警；考虑到工程中使用了大量的电子设备，一旦遭受雷击，必将造成不可估量的损失，故系统除将实行符合国家标准的接地外，还将对UPS电源及PLC控制柜加装防雷器，以保证各系统的正常运行，保障有关人员的人身安全。
e）特殊情况应对
面临突发事件，系统将及时提供信息并根据预定方案，采取保护措施。比如：输水管爆管，通过管网测压点压力数值骤降等反馈信息，系统将自行调整输出水压，并提供报警信息，以便调度人员能在第一时间迅速准确地判断爆管位置，及时通知抢修部门关闭有关闸阀，缩短停水抢修时间，减少经济损失。
f）自动恒压供水
PID调节
在出口管网上设置压力、流量传感器，以便实时反馈不同时段的管网压力、流量，通过PLC 进行PID调节，控制变频器运行参数，以实现压力调节范围0～2Mpa，精度-0.1Mpa～+0.1Mpa的恒压供水。而变频调速不可能无限制调速，需综合分析工况、合理分配任务。例如：一般认为，变频调速不宜低于额定转速50％，最好处于75％～100％，故将结合实际经验计算确定，控制参数动态监测如下图所示：
水位监控
生产生活供水控制具有一些共同的特点，一般设置超高、高、低、超低四个水位信号：
当水池水位到超高水位（1.7m）时，在监控画面给出提示，值班室报警指示灯闪烁；
当水池水位到高水位（1.6m）时，在监控画面给出提示，仍可正常使用；
当水池水位到低水位（-2m）时，在监控画面给出提示，调整输出水量，值班室报警指示灯闪烁；
当水池水位到超低水位（-2.3m）时，关闭输出水泵，以防止水池被抽空，水泵烧坏，同时在监控画面给出提示，值班室报警指示灯闪烁，并发出报警音。
集水坑水位信号设超高、高、低三个水位信号点：
当水池水位到超高水位（-2.6m）时，在监控画面给出提示，值班室报警指示灯闪烁，并发出报警音，起动潜水泵；
当水池水位到高水位（-2.8m）时，在监控画面给出提示，值班室报警指示灯闪烁；
当水池水位到低水位（-3.5m）时，停止潜水泵，并在监控画面给出提示，值班室报警指示灯闪烁。
泵的控制
a）变频泵
生产生活变频供水泵组设为三用一备，其供水泵的自动控制功能主要由PLC及变频器协同实现，通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号经过Profibus PA/DP传递给PLC后进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在设定压力范围，如用水量超过当前水泵的供水量时，将通过PLC控制增加水泵投运。根据用水量的大小由PLC控制投入工作水泵数量，结合变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入水泵电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统，维持压力表压力（即供水管网水压）等于用户设定值，充分保证水泵的及时而正常供水。
为完全消除小流量或零流量供水电耗，还能通过辅助稳压罐调节，当供水压力低时，系统自动停运主泵，使稳压罐运行。如下图所示：
b）排水泵
两台排水泵则由集水坑水位控制，当水位超高时，PLC自动启动潜水泵；水位低于低限时，则自动停止潜水泵。
水泵房各泵的工作状态均将通过管理计算机输出反馈至厂区中控室，水泵房现场也将设置启停开关。
画面监控
监控画面可以对供水系统压力、流量、开关信号、水泵的运行参数（如：状态、频率、转速、消耗功率、电机温度等）进行实时监控，在整个供水过程中，管理计算机不仅能采集到来自PLC的控制信号并以动画的形式进行显示，而且还能够通过网络向PLC发出控制命令、进行参数下传，对现场设备进行控制调节。通过现场的仪表所采集到的水位、压力、流量、电机温度等数据，在管理计算机上实时地显示，存储为历史数据，绘制历史曲线，自动生成报表，同时根据预设报警条件对系统出现的异常或故障及时报警，报警内容包括：实际值和偏差值报警、给定值限值报警、系统自诊断报警、变送器运行在量程范围之外报警、输出限幅报警、电源故障报警、模板故障报警、通信故障报警等等。监控画面如下所示：
3、自控系统功能
3.1 水泵监控系统实现的功能
水泵泵体表面的温度检测，报警及远传；
瞬时流量的监测及远传；
水泵三相供电电流检测，报警及远传；
水泵远程启停控制；
水泵当前状态的监测及远传；
累计流量的检测及远传。
3.2 软件实现的功能
实时上报数据的接收、处理、上传；
对压缩数据的解包、分析、处理；
二次表监测控制器故障自动上报报警；
全部通讯数据日志记录功能；
下位机数据的实时显示；
下位机各个数据的历史查询（视用户所用数据库而定）；
下位机瞬时流量的实时曲线和历史曲线生成；
下位机数据的日、周、月、年报表生成。
4、系统特点
4.1 三级控制方式以确保安全
系统具有独立的控制功能且互为备用，相互之间既可以在自动控制方式下实现联动运行，也可以在手动方式下独立控制。
在系统设备及网络正常时，用户可在集控中心，通过管理计算机进行远程监控与参数设置；当远程计算机或网络故障时，用户可通过值班室PLC柜上的触摸屏操作站对系统进行监控；即便当自控系统出现故障无法运行时，将现场MNS开关柜上的“手动/自动”转换开关切换至手动后，还可通过开关柜上的按钮，对各台水泵进行独立启停操作，以确保供水安全。
4.2 变频调节实现恒压供水
PLC实时比较管网实际压力与用户设定压力差值，自动调节输出频率、及时控制水泵投切，通过调整水泵启动台数和转速，在较高的精度范围内保证管网的压力恒定。无论用水高、低峰均可在保证供水压力的前提下最大限度地节省电能，从监控画面的趋势图，还可对系统恒压情况进行查看分析，以及时发现异常现象.
4.3 轮换作业延长设备使用寿命
PLC根据用户设定水泵投切周期以及当前压力及可用泵数，可自动进行水泵投切，在避免了水泵无效运转或在启动时较大的启动电流对供电系统、配电设备和电机的冲击的同时，也减少了由于无谓磨损、频繁启停等原因对水泵造成的损害，还可延长电气设备、水泵及管网的使用寿命，消除了水锤带来的危害，减少检修维护费用及工作量，提高了供水安全，恒压供水泵的投切按如下流程设计：
4.4 现场总线提供高效的数据传递
通过总线方式连接分布于现场的智能仪表、变频器、软起动器将实现安全、高效的数据传递，并提升了系统的开放性、灵活性和可扩展性，总线方式带来以下诸多好处：
提高设计的弹性――通过提供网络数据流的能力来提供无限制的IO端口、提供互操作性和即插即用能力；
提高了吞吐量和可重复性――通过一根总线，即可获取终端设备的全部参数信息，并可对调置参数备份复用；
降低安装成本――简化配线的同时，还避免了潜在的错误点，减少劳动力资源并节省了安装空间；
易于维护——系统基于工业网络架构，用户可从任何一点接入系统，远程访问、组态、诊断或维护多层工业网络中的设备，使得管理AB的PLC、变频器、软起动器等设备更为容易，参数查看、设置如下图所示：
5、运行效果分析
5.1 提升供水安全可靠性
由于水泵房担负厂区的直供水任务，供水量随用水点的变化，压力势必产生波动，如采用定速控制，供水必然会导致高峰供水时段管网供水压力不足，而用水量小时管网压力过高，造成爆管现象。采用PLC变频调节控制后，频率及泵的投切随管网压力自动控制，以保证厂区用水压力基本恒定不变。
5.2、实现高效节能
通过采用变频调速恒压控制，可在不同用水需量时，有效及时地调控，避免了传统供水方式的无谓设备及能源损耗，降低吨水电耗。
5.3 提高自动化水平
根据动力中心对自控子系统建设规划初衷“分散控制、集中管理、现场无人值守”，智能变频恒压供水技术的应用，提升了水泵站自动化控制水平，为日后现场无人职守、安全运行提供了可能。
参考文献：
[1] Rockwell Automation《ControlNet Coax Media Planning and Installation Guide》Publication CNET-IN002A-EN-P，December 2001，PN 955135-80
[2] Rockwell Automation《1768 CompactLogix Controllers》Publication 1768-UM001C-EN-P，November 2007
[3] Rockwell Automation《PowerFlex® 70 Technical L DATA》Publication 20A-TD001H-EN-P，November 2007
[4] Rockwell Automation《RSView Supervisory Edition User's Guide》Doc ID VIEWSE-UM005C-EN-E，September 2004
论文作者:陈宣峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/8
标签：水泵论文; 水位论文; 系统论文; 压力论文; 设备论文; 管网论文; 数据论文; 《电力设备》2018年第12期论文;