基于物聯網的恒壓供水控制系統設計*

王炯錫

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

1 恒壓供水控制系統設計目標

1.1 用水情況分析

根據某校校園各時間段總用水量統計數據可知，實際用水高峰時間段大概在每天的6：00~8：00、17：00~18：00以及20：00~21：00，其他時候用水量相對較少，同時，水管管道壓力隨用水量升高而升高，隨用水量降低而降低。

1.2 恒壓供水控制系統初步設計

恒壓供水控制系統是指在水站中利用電機的調速裝置，調控水站中的各水泵及泵組，從而實現對水站的調速運行，并根據實際需求自動調節各水泵及泵組的工作狀態，實現恒壓供水，以便實現管道內的孔隙水壓力發生變化后仍能保持平穩的流量和節能的目的[1]。校園供水控制系統的真正目標，在于實現管道出口水壓的平衡。控制系統能夠根據通過管道的實際用水量和實際孔隙水情況，利用PID算法改變供水站中運行系統的工作頻率，從而調節給水管網的水量及壓強，實現學校供水管網的恒壓功能。

在對某高等院校用水情況進行分析后，初步設計該校園恒壓供水系統應具備以下要點：1）系統自動運行；2）自動、手動都能實現控制供水；3）緊急制停功能；4）保證水壓合適；5）相關保護功能；6）自報警功能；7）儲存相關數據；8）監控功能；9）降低用電能耗；10）備用系統等。

2 恒壓供水系統的工作原理

變頻恒壓供水系統主要由水泵、主電路、相關的頻率轉換器、測試壓力的設備以及PLC構成，其中變頻器將系統內電源的供電頻率轉換成系統相應的參數，而PLC則需要根據當前系統的運行狀況，進行閉環，調整整個系統的工作狀態，維持供水系統的穩定和平衡[2]。供水系統在工作時通過水壓力變送器，將管道的壓力立即反饋給PLC，利用PLC自動控制系統實現對變頻器的控制，從而保障整個系統的穩定。

其中，控制變頻器的方法主要有兩種，第一種為PAM方式，基本原理是利用整流和逆變，保持恒定的電壓以及固定頻率的電源，便于調節供水系統的電壓和相應的頻率，一般來說，其整流和逆變之間的操作較為復雜，導致控制電路的難度加大，此種方法并不常用。第二種為PWM方式，主要是將輸出電壓以每半個周期為節點將其均分為上千個脈沖波，通過PWM中的平均電壓及其占空比的正變換關系將其輸送到逆變電路，就是使PWM控制系統內部的反向元件從而調節電源的頻率，改變電壓占空比，最終將調節好的電壓與頻率的正弦電源變為適合供水系統使用的電源。PWM系統操作簡單，電路的設計難度較低，被廣泛用于變頻恒壓供水系統的設計中[3]。為了避免水泵低效率地運行，需要調節變頻器的工作頻率，在實際工作中將揚程控制在高效區，降低水泵的速度，電動機的負載能力也會相應地下降，系統在此種方式下還可以保持電動機最大的工作效率，降低水、電等的消耗，一般來說，可以節約15%~50%的電能，節約15%~30%的水，提高企業的經濟效益。總而言之，PLC變頻恒壓控制系統與傳統的供水系統相比，由于無需安裝水塔、水箱以及氣壓罐等裝置，能夠減少占地面積、節約成本，減少對周邊環境的影響[4]。

3 基于物聯網的恒壓供水控制系統的硬件設計

3.1 人工方式

供水系統的設計主要是為了解決當前高層居民的供水不穩定問題，具有高性能、投資小、節能環保等優點，現階段已經被廣泛應用，主要是將用戶所需要的供水壓力值與系統設計的保護壓力值輸入系統內部，令用戶實際需要的供水壓力值小于系統內的保護壓力值，一旦壓力值過大，則供水系統能夠自動關閉，保護系統內設備的安全。該系統主要是采取一對多的設計方案，即利用一臺變頻器控制三臺水泵。另外，由于系統中安裝了PLC自動控制系統，可以完全實現對整個供水系統的控制，還可以自動進行數據信息的掃描，令系統內部的資源使用效率達到最高，操作控制的系統主要有兩種運行方式，即人工手動控制以及CPU控制。在采取人工控制時，則可以任意地開啟或者關閉水泵，而且還可以任意地調整水泵的工作頻率，甚至在水泵工作時依舊可以調節頻率。需要注意同一時刻系統內的三臺泵機，只能調節一臺泵機的頻率，受限于技術設計，人工操作無法保證出水管壓力的恒定，必須人為地進行控制。因此人工手動的操作方式主要被應用于測試系統初始狀態、性能，供水系統發生故障時的緊急維修，或者通過調節頻率，檢測水泵的速度[5]。

3.2 CPU控制

供水系統處于正常的運轉狀態時，通常采取自動化的運行方式，在該模式下，供水系統保持較高水平的自動化程度，工作人員按下系統內部的啟動鍵，系統內部則將自動賦值，根據當前用戶的實際用水量調節水泵的轉速以及具體應用的水泵數量，有助于提高供水系統內部的機器利用效率，保障每臺水泵最大程度地發揮作用。系統的內部還設計了故障檢測功能，實時監測設備的運行狀態以及系統內部各個環節的工作情況，一旦發現設備發生故障，立即報警，同時將故障信息和位置傳送到顯示屏，便于工作人員進行故障維修，節省了工作人員的故障排查時間，提高了維修的效率和質量，保障了供水系統的安全、穩定。此外，如果系統內部的故障直接影響到整個系統的穩定，則CPU將立即發出報警信息，系統自動停止，能夠起到良好的系統保護效果[6]。一旦斷電導致系統無法正常運轉，憑借系統供水網之間的壓力值，低樓層的居民依舊能夠獲得用水。

4 基于物聯網的恒壓供水控制系統的軟件設計

4.1 手動控制

恒壓供水系統的軟件設計主要包括系統內部的程序控制、擋位設計、PID程序運算設計以及增泵功能的設計，系統在開始工作前，需要進行初始化，判斷壓力傳感器輸送的信號能否滿足水泵的運行條件。當管道內部的壓力大于壓力的上限時，則系統內部自動減少水泵的數量；一旦管道內部的壓力小于壓力的下限，則自動增加水泵的工作數量。其中，PLC系統按照管道的壓力值進行相應的調節，PLC變頻恒壓系統的軟件主要有兩種控制方式，即自動控制方式與手動控制方式。其中手動控制方式主要是利用PLC系統中的手動操作界面，輸入按鈕從而實現對系統內部各個設備的控制，而且手動控制還可以同時轉換系統內部三個電機的工作狀態，不受系統內部的邏輯限制，也無需考慮壓力傳感器傳回的信號[7]。

4.2 自動控制

自動控制方式則是先分析供水系統檢測到的傳感器狀態，然后調節整個控制設備的啟動、停止、調速、頻率，作為控制閉環設備的依據。其主要的設計原理是利用壓力設備檢測系統內部的水位值，然后將數據轉化為20 V~25 V的電壓，同時將其傳送至控制器，進行A/D的轉換，轉換成相應的數字信號后輸送給PLC自動控制系統，數字信息在PLC中被分析、比較、存儲。系統內部的實際值與PLC系統的設定值之間存在一定的誤差，可以利用該差值調節電源的頻率，實現對輸出頻率的控制，有助于調節整個電動機組的工作，最終令整個供水系統不斷地進行信息采集、分析、處理等過程，實現對供水系統的自動控制[8]。例如，自動啟動程序時，系統開始自動執行數據庫內部的數據與函數，實現PLC和其他設備的連接，確保系統的硬件能在軟件的控制下執行各個指令。在系統運行時及時地進行故障的檢查與提示是較為重要的工作，一旦系統內部的程序檢測到異常故障，能夠實時進行故障提示并且在屏幕上顯示故障位置，便于工作人員及時進行維修，保證供水系統的供水安全、穩定。同時，利用系統程序設置的水壓值與外部水壓實際值之間的差值，控制水泵機組的電源工作頻率，令系統的電壓保持恒定，保證供水量。總而言之，PLC與變頻器恒壓供水系統主要通過自動方式進行控制，通過調節變頻速率控制泵機的轉速，提高當前的供水效率與質量，保障供水系統穩定運轉，PLC變頻恒壓供水系統還能有效地降低能耗。因此，推廣使用PLC變頻恒壓系統對于我國居民用水的安全、穩定具有重要的使用價值[9]。

5 基于物聯網的恒壓供水控制系統設計的原理和技術

5.1 物聯網在PLC自動控制系統中的編程概述

PLC自動控制系統主要是通過編程來對不同的組件進行控制，對于供水系統來講，PLC控制系統需要根據實際的供水系統參數模型來分析處理數據，從而推斷出實際的設備運轉參數，再將指令發送給供水設備來實現自動化管理供水系統。因此，在設備生產和設備運轉之前對實際的運轉情況進行管理，才能讓設備在投入使用的時候更加安全和穩定。從人工控制轉到智能控制，不僅帶動了供水系統的發展，還能將供水系統的衍生行業和自配套設施聯合起來，做到更加優越、功能齊全的供水系統，并且在硬件方面也能做到簡化和縮小，可以進行簡易的安裝和維護工作，為后期的供水生產自動化提供便利[10]。

5.2 物聯網在PLC自動控制系統中的編程分類

在PLC領域有諸多編程種類，編程種類可以按照型號和輸入的PLC數據進行分類，分為小型數據、中型數據和大型數據，小型數據一般用于設備開關的控制，它可以包含一部分的邏輯算法和定時等功能；中型數據主要用于設備運轉數據的統計和分析，也是在PLC數據中占比較大的一部分數據；大型數據的分析需要結合通信和網絡來進行，目前物聯網的PLC自動控制系統在小型數據、中型數據和大型數據的分析上已經較為完善。PLC的編程分類還有一種就是按照設計結構來進行分類，例如整體結構雖然在運行和操作上比較方便，但是在后期的維護過程當中會有一定的難度，因為每一個組件都有自己不同的內部結構，部分結構出現故障的時候還有可能對其他裝置系統造成干擾，物聯網PLC自動系統在結構方面是對單獨控制的系統進行編程，模塊結構的自動化配置在使用的時候較為靈活，可以根據實際的使用場景進行針對性的程序分配，具有較強的自動化控制能力。

5.3 加強物聯網與PLC技術的融合發展

從PLC技術出發，新技術的引入肯定會改善傳統的供水方式，PLC新技術給供水系統帶來了不一樣的前景，并且物聯網與PLC技術已經步入了成熟階段。在自動化控制領域已經可以滿足部分行業要求，自動化編程技術也在微處理器方面取得了不錯的成就，為物聯網技術進行廣泛推廣和使用提供了可靠的依據。