1  引言
    近年來(lái)我國(guó)中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998年，我國(guó)人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）有175.7升增加到241.1升，增長(zhǎng)了37.2%[1]，與此同時(shí)我國(guó)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(shí)供水量普遍不足，造成很多城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)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(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效地達(dá)到目的。這種情況造成用水高峰期時(shí)水位達(dá)不到要求,供水壓力不足，用水低峰期時(shí)供水水位超標(biāo),壓力過(guò)高，不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患（例如壓力過(guò)高容易造成爆管事故）。
    本文以臨清市自來(lái)水廠為例，設(shè)計(jì)了一套城市供水控制系統(tǒng)方案。整個(gè)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(gè)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(shè)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(hào)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(gè)系統(tǒng)的核心。二泵房共有4臺(tái)供水泵組成，其中50kW變頻泵2臺(tái)，75kW變頻泵2臺(tái)，主要完成對(duì)臨清市的變頻恒壓供水；總控室中心控制系統(tǒng)作為整個(gè)供水系統(tǒng)的監(jiān)控調(diào)度中心，負(fù)責(zé)整個(gè)供水系統(tǒng)的5臺(tái)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(guó)Siemens PLC（可編程序控制器）S7 200作為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控設(shè)備，選用了帶PROFIBUS接口的PLC S7-300為主站，它為每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)站點(diǎn)分配一個(gè)地址，在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站點(diǎn)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(jī)WINCC為總主站，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(tái)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(jí)遠(yuǎn)程分布式控制系統(tǒng)。它通過(guò)二泵房控制單元中的S7-314在每一個(gè)信息周期內(nèi)收集變頻器狀態(tài)、閥門(mén)狀態(tài)、壓力、流量、水位等信息，把這些信息傳送到PC機(jī)，并把PC機(jī)的優(yōu)化信號(hào)送回，控制各水泵的啟停及轉(zhuǎn)速，配合閥門(mén)的控制達(dá)到優(yōu)化的目的。它通過(guò)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(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、PLC、計(jì)算機(jī)、微波通訊及自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制等諸多先進(jìn)技術(shù)于一體，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)在城市供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3  變頻調(diào)速恒水位控制系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
    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(jī)組、水位傳感器、工控機(jī)以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，其中兩臺(tái)大機(jī)(75kW)和兩臺(tái)小機(jī)(55kW)分別采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。PLC上接工控計(jì)算機(jī)，水位傳感器采樣水池水位信號(hào)，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給PLC的模糊模塊,PLC根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)模糊運(yùn)算，發(fā)出指令，對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。PLC上接工控計(jì)算機(jī)，上位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對(duì)恒水位供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。
3.2 系統(tǒng)工作過(guò)程
    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，白天一般只需開(kāi)動(dòng)一臺(tái)大泵和一臺(tái)小泵，就能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開(kāi)動(dòng)一臺(tái)大機(jī)就能滿(mǎn)足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即把1#水泵電機(jī)（50kW）和2#水泵電機(jī)（75kW）為一組，3#水泵電機(jī)（50kW）和4#水泵電機(jī)（75kW）分為一組。兩組采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)整選擇不同的機(jī)組運(yùn)行。
    分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)組Ⅰ（1#、2#水泵電機(jī)）工作過(guò)程,可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：
    （1）1#電機(jī)變頻起動(dòng)；
    （2）1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行；
    （3）2#電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行。
    一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水位發(fā)生變化時(shí)，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(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過(guò)程。
    ● 切換過(guò)程Ⅰ
    1#電機(jī)變頻起動(dòng)，頻率達(dá)到50Hz,1#電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，水池水位低于設(shè)定水位下限hl，按下相應(yīng)的按鈕,選擇機(jī)組Ⅰ運(yùn)行，在PLC可編程控制器控制下，KM2得電，1#電機(jī)先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對(duì)拖動(dòng)1#泵的電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)，1#電機(jī)起動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著運(yùn)行頻率的增加，當(dāng)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(kāi)，KM2失電，1#電機(jī)自變頻器輸出端斷開(kāi)，KM1得電1#電機(jī)切換至工頻運(yùn)行。1#電機(jī)工頻運(yùn)行后,開(kāi)啟1#泵閥門(mén)，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機(jī)接至變頻器輸出端,接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開(kāi),2#電機(jī)開(kāi)始軟起動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開(kāi)啟2#泵閥門(mén)，2#水泵電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行，2#水泵接入變頻器并啟動(dòng)運(yùn)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(dá)到設(shè)定值為止?！?BR>    ● 切換過(guò)程Ⅱ
    由1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。
    當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加，2#水泵電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限Ph時(shí)（2#電機(jī)f=fmin,P＞Ph）,在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機(jī)從工頻斷開(kāi)，2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。
    ● 切換過(guò)程Ⅲ
    由2#電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?#電機(jī)變頻停止，1#電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)，2#電動(dòng)機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻f0（即50Hz），水池水位低于設(shè)定水位上限H時(shí)，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開(kāi)，KM3斷開(kāi)，2#電機(jī)自變頻器輸出端斷開(kāi)；KM2得電，1#電機(jī)接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端,與此同時(shí)變頻器BX端斷開(kāi),1#電機(jī)開(kāi)始軟起動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開(kāi)始新一輪循環(huán)。
    在PLC程序設(shè)計(jì)中，必須認(rèn)真考慮這三個(gè)切換過(guò)程，才能保證系統(tǒng)在一個(gè)工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常切換與運(yùn)行。
    1#和2#機(jī)組工作過(guò)程流程圖2所示。

圖2  機(jī)組Ⅰ工作過(guò)程流程圖

    若選擇機(jī)組Ⅱ（3#和4#水泵電機(jī)）運(yùn)行，其工作過(guò)程和上面類(lèi)似。

4  結(jié)束語(yǔ)
    該控制系統(tǒng)將PLC、變頻器、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，并設(shè)計(jì)了配套的界面美觀、操作方便的自動(dòng)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(jiǎn)化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析等方面的工作量。實(shí)踐證明，系統(tǒng)不僅滿(mǎn)足了生產(chǎn)的需要，提高了整個(gè)水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)約用電一項(xiàng)就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于中小型自來(lái)水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)有著廣闊的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r(jià)值。