農(nóng)村變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設計

農(nóng)村變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設計摘要:針對目前的農(nóng)村供水供水不穩(wěn)定、可靠性差等問題,設計出一種基于計算機遠程分布式網(wǎng)絡控制的恒壓變頻控制系統(tǒng),主要包括遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)、中間路由傳輸系統(tǒng)和本地供水控制系統(tǒng)三大系統(tǒng),該設計能實現(xiàn)用戶段不管用水量大小,總保持管網(wǎng)水壓基本恒定,實現(xiàn)了滿足各部位的用戶對水的需求的目標。關鍵詞:變頻控制恒壓供水系統(tǒng)設計水是生命之源、是人類生存的基礎,居民生活用水質(zhì)和量的水平是衡量一個國家和地區(qū)文明程度的一個重要標志,占全國人口70%的農(nóng)村居民生活用水質(zhì)量的高低直接關系到我國整體文明建設的進程和水平。我國改革開放以來,經(jīng)濟“持續(xù)、快速、健康”的增長,綜合國力明顯增強,各行各業(yè)快速發(fā)展,全國提前實現(xiàn)了第二步戰(zhàn)略目標。而農(nóng)村供水作為農(nóng)民生活的重要基礎設施基本處于一種自然發(fā)展狀態(tài),突出存在水壓時低時高、各部位的水壓差異大、供水可靠性差等問題,與快速發(fā)展的農(nóng)村經(jīng)濟形勢脫節(jié),已開始制約農(nóng)民生活質(zhì)量的進一步提高。截止到2005年全國共建成農(nóng)村飲水工程300多萬處,其中,鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水工程3.2萬處,村集中供水10多萬處。農(nóng)村居民中享受自來水的人數(shù)約4億多人,占農(nóng)村總人口的45％。但自然村屯自來水普及率僅29％。供水量為北方每人每日供水10L左右,南方40L左右。比國際上發(fā)展中國家農(nóng)村供水量20～50L/d的標準低。因此,加速發(fā)展農(nóng)村飲水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工作是關系到農(nóng)村社會經(jīng)濟發(fā)展、提高農(nóng)村人口素質(zhì)、穩(wěn)定農(nóng)村社會的大問題,是促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設的重要內(nèi)容之一。1變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設計思路本恒壓變頻供水控制系統(tǒng)設計旨在達到用戶打開水龍頭閥門,同時單片機、PLC等控制器采集水壓傳感器壓力變化值,調(diào)節(jié)供水網(wǎng)中水泵旋轉頻率,調(diào)節(jié)水泵的輸出流量,保證供水出口壓力保持不變,實現(xiàn)恒壓供水。做到用戶段不管用水量大小,總保持管網(wǎng)水壓基本恒定,這樣,即可滿足各部位的用戶對水的需求,又不使電動機空轉,造成電能的浪費。其基本本結構為:PLC+變頻器+變頻調(diào)速的泵(如圖1)。供水管網(wǎng)的管內(nèi)壓力與水泵的轉速、用戶用水負荷等有關,水泵轉速越快,管內(nèi)壓力越大,用水負荷就越大,管內(nèi)壓力越小。在供水系統(tǒng)中,負荷往往是不可控的,因此,在恒壓供水系統(tǒng)中,只有調(diào)節(jié)泵的轉速來控制壓力。本設計水泵的轉速控制使用PID控制算法來控制,PID控制模塊具有比較和差分的功能,供水的壓力低于設定壓力,變頻器就會將運行頻率升高,反之則降低,并且可以根據(jù)壓力變化的快慢進行差分調(diào)節(jié)。利用系統(tǒng)中的壓力傳感器將壓力信號與設定值進行比較,送入PID等控制器,PLC將控制器計算的數(shù)值輸出到變頻器,變頻器根據(jù)輸入的模擬量,改變輸出的電壓及頻率,從而實現(xiàn)對電動機的轉速的調(diào)節(jié),改變管內(nèi)壓力,實現(xiàn)恒壓供水控制。2本項目控制系統(tǒng)方案設計本設計為基于計算機遠程分布式網(wǎng)絡控制的恒壓變頻控制系統(tǒng),包括遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)、中間路由傳輸系統(tǒng)和本地供水控制系統(tǒng)三大部分;遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)是局部區(qū)域供水網(wǎng)絡的高層管理器,負責對本地工作站供水信息采集和統(tǒng)計,分析本地服務站供水狀況和供水使用情況,并實現(xiàn)了對本地服務站系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控、故障診斷等功能,實時確認各本地服務器供水系統(tǒng)正常穩(wěn)定運轉。鏈路通信網(wǎng)路負責遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)與本地供水網(wǎng)路的正常通信,若干個本地供水系統(tǒng)組成一個龐大的子網(wǎng)絡系統(tǒng),由于主系統(tǒng)與子系統(tǒng)的距離較遠,考慮農(nóng)村分散式供水系統(tǒng)零星分布等現(xiàn)狀,設計子系統(tǒng)分布為分布式網(wǎng)絡終端,主控制網(wǎng)路與子控制網(wǎng)絡之間的通信方式是基于TCP/IP協(xié)議的遠程網(wǎng)絡通信模式。3本地供水控制系統(tǒng)設計本地供水控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分,是本地供水系統(tǒng)中的執(zhí)行部分,主要包括本地服務器、PLC可編程邏輯控制器、變頻器、水泵和水壓表等組成部分(圖2)。本地PC機與PLC組成主從式控制系統(tǒng),可編程邏輯控制器PLC與變頻器和水壓表構成交互網(wǎng)絡,通過RS232或者網(wǎng)絡接口進行通信,本項目中,采用了工業(yè)標準協(xié)議Modbus協(xié)議,首先對水壓表和變頻器定義不同的地址,地址標號不能重復,避免出現(xiàn)同一地址響應沖突,引發(fā)通信故障,PLC以廣播方式給所有從級設備發(fā)送指令。PLC可編程邏輯控制器實時采集嵌入在輸水管道中的水壓表的數(shù)值,然后將水壓表的實際值跟設定值作比較,然后將比較結果輸送到PID控制器或者模糊算法控制器,并將控制器數(shù)據(jù)的結果轉化為控制輸出量,PLC邏輯控制器將計算以后的控制輸出量通過發(fā)送到變頻器中,控制變頻器的輸出,從而改變水泵的運行狀態(tài),水泵系統(tǒng)是一個大慣量、非線性系統(tǒng),在控制過程中,首先要確定各種啟動參數(shù),如Kp、Ki、Kd等pid控制參數(shù),實現(xiàn)水泵的無抖動超調(diào)優(yōu)化控制,保證電機平穩(wěn)運行。在本地供水系統(tǒng)中,隨著用水網(wǎng)絡的增大,用戶用水的增多,供水任務的增大,單臺水泵往往難以解決供水問題,在用水高峰期,往往需要多臺水泵并行供水,對于高層樓宇,則需要多級水泵串聯(lián)來實現(xiàn),本系統(tǒng)在設計過程中,并行供水系統(tǒng)的設計流程為:初始化相關配置參數(shù),采集供水網(wǎng)絡壓力信息,電機進行初始化等。采集供水網(wǎng)絡中各壓力傳感器上水壓的大小,在供水網(wǎng)絡中,存在壓力傳感器比較多,因此,需要先開辟大塊內(nèi)存或者采用數(shù)據(jù)庫保存壓力值。計算供水網(wǎng)絡中水泵上下端總的壓力值大小。根據(jù)計算出壓力值大小,判斷開啟水泵的多少和功率的大小,當實際壓力值小于閾值1時,僅開啟水泵1,當實際壓力值大于閾值1小于閾值2是,開啟水泵1和水泵2,當實際壓力值大于閾值2小于閾值3是,開啟水泵1、水泵2和水泵3,依次類推。完成多水泵并行增減壓的功能。具體流程圖如下圖3。4遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設計本設計通過對泵站業(yè)務需求和功能需求的分析,把泵站作為相對獨立的部分進行監(jiān)控,不但要能實現(xiàn)就地控制的各種功能,還要能實現(xiàn)手動控制和就地控制的相互切換,當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,送水泵房仍能實現(xiàn)就地控制,達到以下功能。(1)控制功能:功能分自動和手控兩種方式,在轉換開關處于自動位置時,便立即進入自動控制狀態(tài)。(2)監(jiān)測功能:不論設備處于哪種工作方式下,即使在手動方式下,系統(tǒng)具有對設備的狀態(tài)和參數(shù)實時監(jiān)測功能。監(jiān)測信號的設置是根據(jù)設備控制流程需要、保護設備安全需要、生產(chǎn)管理需要和提供設備故障查詢而選定的。遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)是整個恒壓變頻供水網(wǎng)絡的最高層次,是信息處理的核心部分,主要負責實時監(jiān)控本地供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和整體網(wǎng)絡運行狀況統(tǒng)計分析。與現(xiàn)有農(nóng)村落后供水方式相比較,系統(tǒng)能夠監(jiān)控各個供水地區(qū)異常的出現(xiàn),并及時發(fā)出報警信息,通知維護和管理人員作出反應,可以避免因遠程管道斷裂,影響農(nóng)村居民用水、造成水資源浪等現(xiàn)場。對于現(xiàn)有的農(nóng)村供水系統(tǒng)中,供水水源與用水區(qū)域相隔較遠,若供水部位系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障,管理人員不能夠及時察覺,易造成供水中斷或系統(tǒng)癱瘓,嚴重影響下游農(nóng)村星散用戶取水方便。5網(wǎng)絡通信模塊本設計的遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)上位機軟件采用Visual2010編程軟件編寫,主要包括通信功能、數(shù)據(jù)庫管理功能和故障自診斷功能,并集成了匯總打印外部設備,通信功能采用了socket通信方式下地Client/Server(客戶機/服務器)模型,這種方案客戶應用程序向服務器程序請求服務(圖4Socket編程流程圖)。一個服務程序通常在一個眾所周知的地址監(jiān)聽對服務的請求,也就是說,服務進程一直處于休眠狀態(tài),直到一個客戶向這個服務的地址提出了連接請求。在這個時刻,服務程序被“驚醒”并且為客戶提供服務－對客戶的請求作出適當?shù)姆磻?結語本設計設計了一個基于計算機網(wǎng)絡通信的恒壓變頻分布式控制系統(tǒng)和大型遠程監(jiān)控軟件,開發(fā)了上位機遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件、下位機PLC工作站組、變頻控制器和水泵機組、實施故障自診斷軟件系統(tǒng)等;能進行供水網(wǎng)路中局部供水故障的自行診斷與排查,及時發(fā)現(xiàn)故障位置;做到了用戶段不管用水量大小,總保持管網(wǎng)水壓基本恒定,實現(xiàn)了滿足各部位的用戶對水的需求的目標,大幅度的提高了農(nóng)村供水可靠性。應用本變頻恒壓供水控制系統(tǒng),對改善農(nóng)村生活質(zhì)量有切實的意義,該設計具有廣闊的應用前景和推廣價值。參考文獻[1] 魏偉.PLC控制技術于應用[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2010:195-214.[2] 張萬忠,孫晉.可編程控制器入門與應用實例[M].北京:中國電力出版社,