雨水回收與綠化灌溉集散控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

徐 亮，王 輝

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，江蘇無錫 214153；2.無錫蘇晟智能環(huán)控設(shè)備有限公司，江蘇無錫 214000）

雨水回收與綠化灌溉集散控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

徐 亮1，王 輝2

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，江蘇無錫 214153；2.無錫蘇晟智能環(huán)控設(shè)備有限公司，江蘇無錫 214000）

介紹了一個運用集散控制技術(shù)實現(xiàn)對小區(qū)雨水回收與綠化灌溉綜合管理的方案。通過分析雨水回收利用的工藝流程，設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成，制定了控制方案，編寫了監(jiān)控計算機程序。經(jīng)試驗證實該方案能夠穩(wěn)定運行且便于管理。

雨水回收；綠化灌溉；集散控制；恒壓灌溉

0 引言

就取水方式而言，傳統(tǒng)的綠化灌溉一般分為河水灌溉與自來水灌溉兩類，其中河水灌溉受到水源位置、水源水質(zhì)等諸多因素的限制不能普遍適用，而自來水灌溉則是成本不菲，兩種取水方式各有弊端。因此，收集利用雨水逐漸成為解決綠化灌溉取水問題的主流手段，在學術(shù)界與技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都展開了熱烈的討論[1]。文[2]系統(tǒng)地介紹了目前國內(nèi)外雨水、污水、中水常見的回收、處理手段與使用情況。文[3]介紹了一個以調(diào)蓄排放、收集回用為手段的雨水回收、利用與綠化灌溉的實際的綜合案例，該方案自實施以來運行穩(wěn)定，年節(jié)水可達8 880 m3。

目前應(yīng)用最廣泛的灌溉設(shè)備還是以手動方式為主，僅靠簡單的起停水泵實現(xiàn)灌溉的目的。這種控制方式顯然具有操作簡單、設(shè)備成本低廉的優(yōu)勢，但在需要大面積灌溉的應(yīng)用場合則管理難度巨大，同時，水泵啟動過程中產(chǎn)生的“水錘”效應(yīng)對管網(wǎng)具有一定的破壞作用。為了解決傳統(tǒng)灌溉設(shè)備的種種弊端，同時也得益于自動控制技術(shù)的發(fā)展，雨水自動回收技術(shù)與灌溉自動化技術(shù)便在這樣的背景下逐步發(fā)展起來了。文[4]以克拉瑪市獨山子區(qū)園林綠化灌溉系統(tǒng)的自動化改造為例，分析了傳統(tǒng)灌溉模式的種種弊端，闡述了園林綠化灌溉自動化改造的必要性，分享了其改造的經(jīng)驗與思考。文[5]介紹了一個雨水回收與灌溉的全自動控制系統(tǒng)，并在北京奧林匹克森林公園投入使用，該系統(tǒng)自動化程度極高，集水、處理、灌溉流程完全自動運行，無需人為干預。

1 控制系統(tǒng)總體規(guī)劃

本項目為無錫市濱湖區(qū)某高檔住宅區(qū)自動雨水回收與綠化灌溉系統(tǒng)，該住宅區(qū)占地約7萬平方米，綠化面積約2.9萬平方米，綠化率超過40%。將綠化帶大致等分為8個區(qū)域，通過8個泵站分別進行雨水收集與綠化灌溉。每個泵站通過單獨的PLC實現(xiàn)控制功能，所有PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與集中監(jiān)控室內(nèi)的計算機相連，可實現(xiàn)監(jiān)控室集中監(jiān)控與每個泵站的分布式控制。系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

2 泵站設(shè)計

每個泵站負責一定范圍內(nèi)的雨水收集、處理和綠化帶灌溉，既能通過安裝在電器柜操作面板的按鈕，也能通過集中監(jiān)控室內(nèi)的監(jiān)控計算機對該泵站實施控制。

2.1 泵站工藝流程

泵站水處理工藝流程如圖2所示。雨水首先進入棄流井，通過使用雨量傳感器檢測是否下雨，非雨天時棄流管道電磁閥打開，污水由棄流管道直接進入市政管網(wǎng)，雨天時棄流管道電磁閥閉合，雨水由進水管道流入沉淀池；沉淀池內(nèi)經(jīng)過初步沉淀去雜的雨水由加壓進水泵抽取并進行加藥、過濾處理后進入清水池；清水池內(nèi)的水既可由恒壓灌溉裝置抽取用于綠化灌溉，也可直接由反沖洗水泵抽取用于過濾裝置的沖洗。

2.2 泵站控制電路設(shè)計

控制系統(tǒng)電路簡圖如圖3所示。圖3中M1、M2、M3三臺水泵分別為加壓進水泵、反沖洗泵和灌溉泵。主控器選用西門子S7-200 PLC，型號為CPU224 CN，該PLC具有14個數(shù)字輸入點與10個數(shù)字輸出點，1個RS485通信口用于程序下載和與變頻器進行通信。由于本項目需要用到16個數(shù)字輸入點，因此選用了西門子EM221 CN進行了數(shù)字輸入擴展，該模塊具有8個數(shù)字輸入點。PLC通過西門子工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊CP243-1接入以太網(wǎng)局域網(wǎng)。

圖2 水處理工藝流程

圖3中省略了PLC及其數(shù)字量擴展模塊的接線部分，該部分詳見表1、表2。

值得注意的是，表1中I0.0～I1.1為PLC本體的輸入點，I2.0～I2.5為擴展模塊EM221 CN的輸入點。

2.3 泵站控制方案

圖3 泵站控制系統(tǒng)電路簡圖

泵站控制系統(tǒng)分為四個獨立的控制子回路。

表1 泵站PLC輸入連接列表

表2 泵站PLC輸出連接列表

（1）棄流電磁閥控制回路

電磁閥的開閉完全由系統(tǒng)自動控制，雨天時電磁閥關(guān)閉，非雨天時或者當沉淀池水滿時電磁閥打開。

（2）加壓進水泵起停控制回路

加壓進水泵的起停必須人為控制，當然為避免系統(tǒng)空載，當沉淀池水位下降至下限位或者清水池水滿時自動停止加壓進水泵。加壓進水泵起動的同時也打開了加藥裝置，反之加壓進水泵停止的同時也關(guān)閉了加藥裝置。起動與停止信號可以由泵站控制面板給定，也可由系統(tǒng)上位機監(jiān)控計算機寫入。

（3）反沖洗泵起停控制回路

反沖洗泵起停必須人為控制，該回路是一個簡單的起-保-停控制回路。為避免系統(tǒng)空載，當清水池水位下降至下限位時自動停止反沖洗泵。

（4）恒壓灌溉控制回路

恒壓灌溉回路的起停必須人為控制，當然為避免系統(tǒng)空載，當清水池水位下降至下限位時自動停止恒壓供水。本項目選用信捷VD4-47P5型變頻器，通過變頻器的FWD輸入端子由一個開關(guān)量控制變頻器起停。變頻器外接標準的4～20 mA電流型水壓力傳感器，通過變頻器自身內(nèi)置的PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成一個如圖4所示的單閉環(huán)控制回路。PLC與變頻器通過RS485總線實現(xiàn)點對點通信，通信協(xié)議為MODBUS-RTU，其中PLC作通信主站，變頻器作通信從站。控制回路的壓力給定值可以通過變頻器面板設(shè)定或者由監(jiān)控計算機經(jīng)PLC寫入。PLC自變頻器讀取的管路壓力、變頻器輸出頻率等重要參數(shù)，最終由監(jiān)控計算機通過總線讀取顯示。起動與停止信號可以由泵站控制面板給定，也可由系統(tǒng)上位機監(jiān)控計算機寫入。

圖4 恒壓供水單閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制回路框圖

3 監(jiān)控計算機程序設(shè)計

監(jiān)控計算機位于小區(qū)物業(yè)監(jiān)控室內(nèi)，通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與各泵站PLC相連，起到監(jiān)視、控制各泵站運行狀態(tài)與運行參數(shù)的作用。

計算機監(jiān)控程序使用C#2008開發(fā)而成，具有與PLC通信、數(shù)據(jù)存儲、即時/歷史數(shù)據(jù)顯示、動畫/曲線顯示等功能，程序功能框圖如圖5所示。其中與PLC通信功能基于OPC技術(shù)實現(xiàn)，本方案選用西門子公司的OPC工具——PC Access，OPC服務(wù)器作為監(jiān)控程序與下位機PLC之間的“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”，接收監(jiān)控計算機發(fā)出讀寫數(shù)據(jù)的命令，然后自動與PLC進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換。后臺數(shù)據(jù)庫采用了微軟Access，通過ADO.NET技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲與歷史數(shù)據(jù)讀取的功能。

Research and Design of Rainwater Recycling and Greenbelt Irrigation Distributed Control System

XU Liang1，WANG Hui2
（1.Electrical Engineering Department，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi214153，China；2.Wuxi Susheng Intelligent Environment Equipment Co.，Ltd，Wuxi214000，China）

This paper introduced a project of applying distributed control technology to realize the integrated management of rainwater recycling and greenbelt irrigation for a residential area.Through analyzing the process of rainwater recycling and utilization，the corresponding hardware construction of control system was designed，the control scheme was made，the monitor program was written.The experiment proved the project could run stably and manageable.

rainwater recycling；greenbelt irrigation；DCS；constant pressure irrigation

TP273

A

1009－9492(2014)07－0102－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.030

2014－01－19