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一、概述

　　某铁路供水系统由分布在十几公里内10个深井取水泵站、4个增压泵站、多个储水池、水塔及用户管网组成。整个供水系统的高低落差达150米，由于供水系统的组成及地形结构的特殊性，过去人工监控，给生产管理、供水调度带来诸多不便。

　　实施了微机监控后，它能实时监测供水系统的主要工艺参数（如压力、流量、水位、电压、电流等），控制深井泵、增压泵的开停，监视泵机的运行状态，同时提供生产管理所需的报表、曲线、数据查询等功能。它的运行对供水系统的安全生产、科学调度有着重要的意义。

二、系统组成

　　微机监控系统采用主从结构、分布式无线实时监控方式（简称SCADA），如图1 所示。

　　系统主要由监控中心、无线通信系统、现场监控终端、传感器及仪表四部分组成。

　　监控中心：由微机、无线数传机、全向天线、模拟屏及UPS组成，主要完成各现场终端数据的实时采集、监测、控制、数据存储、打印报表、数据查询等功能。

　　无线通信系统：监控中心与各泵站终端之间采用无线方式通讯。监控中心为主动站，其它终端副站为被动从站，该系统采用无线电管理委员会给定的数据频率，以一点对多点的方式与从站通讯，监控中心为全向天线，各副站为定向天线。

　　现场监控终端：核心为PLC，是一个智能设备，它有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制等功能，并通过无线信道与监控中心微机进行数据通信。根据监控中心的命令分别完成系统自检、数据传送、控制输出等任务。

　　传感器及仪表：是PLC监测现场信号的“眼睛”，现场所有信号都需经过传感器及仪表的转换，才能输出标准信号，被PLC终端所接受。系统主要测量电压、电流、液位、压力、流量及耗电量等参数。

三、现场PLC终端

　　现场PLC监控终端是工业现场与监控中心之间的桥梁纽带，一方面它采集现场仪表、变送器、设备运行状态等信号，另一方面它又与监控中心通讯，执行有关命令。现场终端一般无人值守。因此，终端机的性能和质量对系统的可靠性影响很大。经充分论证，选用西门子S7-200系列PLC作现场终端具有较高的性能价格比，它具有体积小、易扩展、性能优等特点，非常适合小规模的现场监控。

　　1、PLC硬件设计

　　现场某一终端需测控开关输入信号12路，开关输出信号14路，模拟量输入信号9路。因此，我们选用S7-214基本单元，一块继电器输出扩展单元（EM222），三块模拟输入扩展单元（EM231）。这样系统共有开关输入14路，开关量输出18路，模拟量输入信号9路，满足现场要求。

　　2、通讯接口

　　S7-214PLC基本单元提供一个RS-485接口，为了与无线信道的数传机（电源、Modem、进口电台三者合一）相连，我们专门设计了RS-485接口的专用Modem，并采用光电隔离技术，使二者在电气上完全独立，避免相互干扰，由于数传机发射时需要RTS信号，而RS-485接口又不提供RTS信号，解决这个问题有两处方法。其一，由无线Modem根据PLC的发射信息产生RTS信号，这就要求该Modem必须智能化，同时PLC在发送信息之前需先与Modem通信，让其输出RTS信号，并回送RTS已产生信息，然后PLC再发送现场信息。其二，采用PLC的某一I/O输出点，产生RTS信号，由PLC在发送信息前现接通该点，控制数传机发射，延时一段时间后（电台建立载波时间），再发送信息。后一种方法简单、实用，较好的解决了无线通信的接口问题。

　　3、抗干扰设计

　　为提高系统的可靠性，现场终端、数传机、PLC、直流温压电源及部分变送器装于一个控制柜内，各部分相对独立，便于维护。PLC开关量输入、输出与现场之间家继电器隔离，模拟信号采用信号隔离器和配电器隔离，电源采用隔离变压器供电，以减小电源“噪声”，同时系统设置良好的接地。

四、PLC软件设计

　　PLC终端软件采用梯形图语言编写，为提高终端的抗干扰能力，软件设计中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。程序设计采用模块化、功能化结构，便于维护、扩展。终端软件主要由下列模块组成。

　1、初始化程序：设定各寄存器、计数器、PLC工作模式、通信方式等参数初始值。

　　2、数据采集子程序：对各路模拟量数据采集、滤波、平均等处理。

　　3、累计运行时间子程序：对泵机等设备的运行时间进行累计。

　　4、脉冲量累计子程序：对电耗、流量、仪表的输出脉冲进行累计，并进行标度变换。

　　5、遥信子程序：检测电机、阀门、报警开关等设备的运行状态。

　　6、置初值子程序：由监控中心对时间、电耗、流量等累计参数按用户的要求设定初始值。

　　7、故障自检子程序：检测PLC的故障信息、校验信息，并发往监控中心。

　　8、控制子程序：根据监控中心的命令，或现场自控条件输出相应的操作。

　　9、通讯子程序；完成与监控中心的各种通信功能。

　　其中通讯程序中，接收命令采用中断处理，通过ATCH指令使中断事件8在接收不同特征命令下执行不同的程序。对串行通信的超时限制则通过设定内部定时中断来控制，其事件号为10，定时时间由SMB34的值确定。为减少通信的误码，采用偶校验及异或双重校验措施。

五、结论

　　本系统在软、硬件方面采取了多种措施，特别是现场终端选用了S7-200 PLC，提高了系统的可靠性，在铁路供水系统取得了较好的应用效果。本系统将无线通讯与S7-200 PLC有机的结合，解决了现场分布较散、距离较远、范围较大的系统监控问题，在供水、供电、供气、油田、气象、水文水利等部门有较好的应用前景。

　据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，PLC自动控制供水设备是在继电器控制供水设备的基础上，利用PLC取代通用继电器、定时器控制的。而变频调速器目前也因其比传统的高位水箱、水塔等供水方式，有诸多优势。而成为恒压供水设备的主体。茂名市自来水公司河东水厂利用PLC控制变频器实现自动恒压供水安全运行六年，效果良好。

　　茂名市自来水公司河东水厂供水泵房95年投入生产，日处理水量20万t/d，现阶段，采用的控制系统就是可编程控制器（简称PLC）控制变频调速技术，投入生产以来运行状况良好，收到良好的经济效益。

　　1设备的构成及基本工作原理

　　1.1设备的构成

　　河东水厂供水泵房采用一台变频器（660V500KW），控制的变频电机是（10KV450KW），一台可编程控制器及一些辅助电气控制元件，和现场的六台（10KV450KW）水泵机组、出厂压力传感器一起组成一个完整的闭环自动控制系统。变频器采用ABB公司生产的ACS600型变频器，带有DTC直接转矩控制，静态速度控制精度为标称速度的0.1%到0.5%，它还具有多种保护功能，控制盘上可以同时显示4行功能信息，每行20个字符，有四种快速编程语言可供选择，ACS600内部建立的应用宏意味着你只需按键就可以选择相应的宏，带有文字显示的控制盘使你不必查书中的代码就可进行快速编程，所有的参数被分成逻辑组，操作方便。PLC用的是THYSSEN公司产品，由于考虑到今后的发展我们采用的是模台块式结构，这样的好处是配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。

　　1.2工作原理：

　　传感器，出厂水压通过变送器输出4~20mA信号，此信号由PLC采样并与压力设定信号比较，求出其偏差。PLC控制程序根据偏差的大小再经PID运算，后通过模拟输出口，输出一个控制电流4~20mA信号，此控制信号改变了变频调速器的输出频率，从而改变了水泵电机的转速。减少压力偏差E=PS（设定值）—PC（出厂压力），当压力偏差E为正值并持续时间T>6秒，同时变频调速器的输出频率FC=50HZ持续时间T>5秒时，PLC进行检测定速泵的运行时间，按时间少的顺序启动定速泵，相反E为负值持续时间T>6秒、FC达到低设定值持续时间T>5秒时，按运行时间多的顺序停止定速泵运行，经反复调节终使管网出口压力与设定值保持一致，压力偏差E=0，实现了恒压变量自动供水。

　　另外，可以通过中控室计算机对泵房的工作情况进行监控，把配套恒压供水设备的压力信号、水厂供水的流量信号和水泵工作的电流、电压、功率信号，通过数据转换传送到计算机内，PLC之间采用光缆通讯，在计算机上可画出各种参数的控制曲线和数据统计报表，并将当前数据存储起来，留作打印或以后查询之用，从而也提高了水厂的自动化管理水平。

　2PLC控制变频恒压自动供水设备节电效果分析

　　在供水行业中，电能是在企业成本管理中有挖掘潜力的一项，茂名市河东水厂多年来始终把节能降耗工作放在首位，并把耗电大户供水泵房作为重点来抓，根据我厂的工艺流程，工程技术人员不段的采用新技术进行积极的探索。在所有的供水泵房系统操作中，管网压力是由水泵通过电动机的拖动产生的。

　　根据流量Q与流量阻力h按阻力定律变化，

　　即：h=R×Q2（1）

　　水泵的功率N与水泵的扬程和流量成正比，

　　即：N=H×Q×r/102（千瓦）（2）

　　式中：r-水的重度（公斤/立方米）H-水泵的扬程（米）

　　Q-水泵的流量（立方米/时）

　　从（2）水泵的H—Q曲线与（1）管网的阻力曲线相交，得出特性曲线图2可见，若水泵额定转速为n1，当出口阀门全开时，管道阻力为R1，这时的流量为Q1、扬程为H1，水泵的工作在K1点效率高，此时水泵功率N是Q1和H1的乘积与矩形1-O的面积成正比，如：当关小了

　　水泵出口阀门的开度，而当流量减少为Q2时（如效率50%），系统由原来的

　　工况点K1变到新的工况点K2，这时管道的阻力增加为R2，扬程H1升高到H2，原矩形面积变为矩形2-O面积，两个矩形的面积相差不大，说明通过调整阀门开度来改变流量，水泵的功耗变化不大。换句话说，通过开关阀门进行节流调节，并不能使功耗有效地减少。

　　那么，在供水系统中，通过什么途径能达到节能目的呢？我们知道，通常供水系统运行中，随着用水量的变化，相应有供水量的变化，从流量Q1减少到Q2，我们只需采用变频调速器改变交流电的频率，电动机的转速就按比例变动，电动机的转速n与电源频率f的关系如下式所示：

　　n=60×f×（1-S）/P

　　式中：P-极对数；S-转差数。

　　从n1变为n2，流量由Q1减少到Q2时，管网阻力特性曲线R1维持不变，水泵由工况点K1变到新的工况点K3点，扬程H1大幅度下降H3，矩形1-O面积减少为矩形3-O的面积，两个矩形面积相差许多，节省的功率损耗N与面积3-O成正比，水泵轴功率与其转速的三次方成正比，即P2=P1（n1/n2）3，水泵功率N显著下降。ACS600变频器DTC提供jingque的转矩控制，当电动机的转速下降时，DTC控制电机转矩平稳的降低，电流明显降低，其功耗大幅度减少。所以，在供水系统中采用变频调速，可以在流量变化运行时，节约电能，多年来的运行，我们研究发现在流量变化较大时，其节能效果十分可观。从水泵的特性曲线可以得知，改变水泵转数n可以有效的改变水泵的功耗。有一种液力偶合调速器也可以有效的调节水泵的转数，其过程控制原理为液力偶合调速器通过调节偶合介质来改变输出速度，当水泵由n1转为n2得知水泵的功耗大幅降低，但电机的转数n1并没有变，电机同样是在额定功率运转，虽然实现了自动恒压供水，但节能效果并没有明显体现出来。

    3 技术性能

　　PLC控制变频调速实现全自动恒压供水是调节供水的一项新技术，已经在供水行业中得到了广泛的应用，茂名市河东水厂全自动恒压供水系统，运行六年来，技术性能稳定，效果较好，其中：

　　1）设备的利用率均衡，茂名市河东水厂供水泵房，在运行过程中定速泵的启动是通过计算机检测运行时间进行启动，这样就避免了设备利用不均衡的现象。

　　2）保护功能完善，当水泵、控制系统、变频器发生故障时，在上位机都会发出声光报警信号，并记录、打印。

　　3）当个别定速泵发生故障不能起动时，系统也不会停止供水，在系统发出报警的同时，会按时间选择起动另一台定速泵，保证供水。

　　4）控制系统可靠，在上位机采用两种控制方式：一种是PLC控制，即按编程控制，二种是VDU控制，就是在计算机上进行手动调节。

　　5）有完善的管网保护系统，PLC通过模拟量输入信号检测的方法检测出实际压力值，然后根据所设定压力上/下限值进行管网超压/欠压的故障判断，并完成相应的系统故障报警。而且，当主管线爆裂，泵机出口压力突然降低至3bar时，系统会停止供水。这就有利于实现对管网系统的良好保护，进一步提高供水系统设备使用寿命。

　　6）系统的缺点是，系统选择一台变频泵，定速泵的流量、扬程相同，在压力设置不当时，会产生控制盲区。即：系统供水压力达不到设定压力，起动一台定速泵又压力偏高，从而造成定速泵频繁起动。

　　4 小结

　　1）PLC自动控制供水设备是在继电器控制供水设备的基础上，利用PLC取代通用继电器、定时器控制的，可编程控制器的特点是功能强、操作灵活、使用方便、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、能耗低，适合在工业环境下应用。

　　2）目前变频调速器已成为恒压供水设备的主体，它不仅可以完全取代传统的高位水箱、水塔等供水方式，而且也消除水质的二次污染，更具有节省能源、自动化程度高、供水操作方便、提高经济效益等优点。

　　3）变频器在供水上的应用，能够减少管网压力的波动，使管网压力趋于平稳，PLC参与控制，使全自动恒压供水系统更加智能化，更加完善，可靠性高，稳定性好，响应快，从而降低员工的劳动强度。茂名市自来水公司河东水厂全自动恒压供水系统的应用，不仅产生巨大的经济效益，也促进了企业的技术进步。