圖1　系統(tǒng)硬件結構

　　(1)上位機：水廠需24h連續(xù)運轉，現場干擾源多、環(huán)境惡劣。因此，上位機選用了具有較高可靠性、較強抗干擾能力的研華(ADVANTECH)IPC-610/486型工業(yè)用微機。上位機與PLC之間采用RS232標準串行口進行通訊，傳輸速率9 600b/s，11位數據格式，數據長度7位，1位校驗位，啟動1位，停止2位。另選研華10位A/D采集卡，采集蓄水池水位信號和加壓泵組出水流量信號，對水位信號運用模糊算法進行計算后，給出控制信息由PLC控制潛水泵的啟動臺數。當水位過低時，認為發(fā)生故障，停止一、二次泵組的運行并聲光報警。上位機為720M硬盤、8M內存，可以同時處理大量數據且歷史記錄較長。
　　(2)主控單元：主控單元選用日本立石公司的C60P型可編程序控制器作為主控單元，它具有40路開關量的輸入、20路開關量的輸出，可擴展模入、模出模塊，并有RS-232標準串口。C60P為積木式結構，系統(tǒng)構成及擴展方便，抗干擾性能好，作為現場主控部件較理想。由它完成自動倒泵、防水錘互鎖、變頻器邏輯控制等邏輯控制功能。
　　(3)管網恒壓調控系統(tǒng)：調速泵的調節(jié)由富士G-45變頻器來完成，由壓力傳感器采取用戶管網的壓力信號(4mA～20mA)送至自制的調節(jié)板上，與給定信號比較后送至日產RKC調節(jié)器中，經PID運算后產生調節(jié)信號送至變頻器，控制變頻器的輸出頻率，調節(jié)水泵轉速。變頻器本身對應其輸出頻率有0～5V(DC)信號輸出，將其引回調節(jié)板，由系統(tǒng)對輸出頻率進行檢測，若變頻器的輸出大于49Hz一定時間后，管網壓力仍達不到要求，延時確定后，PLC按照一定規(guī)則逐個以自耦減壓方式啟動恒速泵，直至管網壓力恒定。若變頻器輸出頻率小于23Hz一定時間后，管網壓力仍超過給定值，則依次關閉恒速泵，配合調整調速泵直至壓力穩(wěn)定。
　　(4)自耦減壓啟動柜：恒速泵及潛水泵均采用自耦減壓啟動方式，有效地減小了電動機啟動時對電網的沖擊。
　　(5)傳感器及執(zhí)行機構：管網壓力信號的采取利用最大量程為1.0MPa的遠傳壓力表，以方便在采樣點觀察壓力信號；流量信號的采取利用渦街流量計；水位信號的采取利用壓力式水位傳感器；利用電動蝶閥作為執(zhí)行機構來控制加壓泵的出水口狀態(tài)。

3　系統(tǒng)的軟件

　　系統(tǒng)軟件主要包括上位機管理程序、PLC控制與監(jiān)測程序以及它們之間的通訊程序。
　　(1)上位機的管理程序主要完成設備運行狀況的圖形顯示監(jiān)測、生產狀況的數據庫管理、檢測數據的處理、菜單處理以及報警等功能。采用C語言結合匯編編程，充分利用C語言結構化強、簡潔和運行速度快等優(yōu)點，同時也提高了程序的可讀性、可靠性及可移植性。軟件設計采用模塊化結構，人機界面為圖形形式，菜單驅動，全部中文顯示與提示非常友好。系統(tǒng)主要功能模塊包括：使用說明、水廠控制系統(tǒng)功能介紹、生產狀況監(jiān)測及管理、水位系統(tǒng)的運行狀態(tài)控制等。采用查詢方式完成與PLC的通訊及檢測數據的處理；將管網壓力、流量、液位、各水泵運行狀態(tài)及各處閥門開啟狀態(tài)等信息以圖形及數據的方式顯示于顯示器上；如有報警信號則顯示相應圖形，同時進行聲光報警。監(jiān)測的出水量、耗電量等信號可長期保存于存儲器中，隨時作為資料查詢。
　　(2)蓄水池分為沉淀池和出水池兩部分，深井水首先在沉淀池沉淀泥沙、消毒處理，而后，經過濾到達清水池。因此，水位控制功能要求較高，正常狀態(tài)下，1～2臺潛水泵長期運轉，其余根據用水量的大小自動切換。為保證水的正常供應并防止?jié)撍玫念l繁啟停，在水位控制中采用了模糊算法。將水位高度分為七級，將水位的變化率也分為七級，將潛水泵的開啟臺數分為5檔，形成了一個二維矩陣數組，由計算機運算后確定應開啟的深井泵臺數。經反復試驗后，確定了數組中各參數的值，經實際使用，獲得了較好的運行效果。
　　(3)可編程控制器作為主控單元，幾乎所有的現場邏輯控制均與其有關。它的控制程序具有較強的邏輯性要求。一般來說變頻器嚴禁付邊加裝接觸器，但是為了節(jié)省投資、實現4臺恒速泵輪流作為調速泵，必須在變頻器的付邊裝接觸器(電路原理圖如圖2所示)。為防止在電動機高速運轉時，當變頻器的原邊未切斷電源或剛剛切斷電源，付邊接觸器斷開，電動機定子線圈放電造成高電壓，損壞變頻器的輸出功率模塊，在PLC的程序設計中必須考慮到較復雜的互鎖及時間控制關系，即PLC計算倒泵時間到后，首先按照閥、泵互鎖關系關閉擬轉入變量運行的定量泵；接著關閉原變量泵，此時變頻器輸出頻率先降至零，而后切斷變頻器原邊接觸器，延時幾秒后，切斷其付邊接觸器。而后，將變頻器輸出與待轉入變量運行的水泵接通，幾秒后按照閥、泵開啟的順序依次接通變頻器的電源，啟動水泵并打開水閥；同時，原調速泵轉為恒速泵使用，這樣做保證4臺加壓泵的運轉時間相近，避免某臺泵長時間不運轉發(fā)生銹蝕等故障。

圖2　電路原理圖

　　(4)上位機與PLC之間的通訊借助標準RS-232口來完成?？梢杂缮衔粰C完成給定倒泵的間隔時間、設定管網的壓力等工作。同時，下位系統(tǒng)定時將恒速泵的開啟臺數、調速泵的運行狀態(tài)(頻率、轉速、消耗功率等)、管網壓力等信息報上位機進行處理和顯示。

4　結束語

　　中小型自來水廠的自動化技術改造有著廣泛的前景。依靠現代化技術手段對生產過程進行控制和管理，提高設備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術發(fā)展的必然趨勢。本控制系統(tǒng)將上位機、PLC、變頻器、相應傳感器和執(zhí)行機構有機地結合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，軟件設計合理，系統(tǒng)調試較方便；且系統(tǒng)各級之間可獨立運行，保證了水廠的不間斷生產。實踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生產的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)電一項就為水廠創(chuàng)造了巨大的經濟效益。