1 引言
通常的供水系統在用水量較高時，供水管道中的水壓將下降，不能滿足用戶的需求；用水量較低時，供水管道中的水壓將升高，超出了用戶的需求，這種情況不但浪費了能源，而且還會破壞供水管道及用水設施，造成經濟損失。供水系統中壓力調節的方法比較落后，普遍使用水塔二次供水和頻繁啟停電機等方法進行調節。前者投入的資金比較多，占地面積大，容易出現故障；后者會消耗大量的電能，還會對接入電網的其他用電設備造成影響，反復地啟停設備將縮短其使用壽命[1]。
綜合考慮目前供水系統在實際應用中的一些弊端，本次設計的供水系統以高效節能、供水穩定為前提，采用PID閉環控制方式，提高了系統的精確性。為了保證各設備安全運行，使用了上位機對系統實施監控。其工作的原理是利用變頻技術、PLC和壓力傳感器的結合，完成水泵在變頻電源與工頻電源之間的自動轉換，使管網的壓力穩定在設定值附近，從而達到恒壓供水的設計要求[2]。
2 系統的整體設計及工作原理
系統的設計目標是達到居民用水的要求，因此調節的對象是流量，但水泵將水上揚的高度決定了流量，對它的檢測與調節不容易完成。當系統供水時，管網中的水壓大小取決于供水量和用水量的大小關系。在供水量大于用水量的時候，供水管道中的水壓將會增高，在供水量小于用水量的時候，供水管道中的水壓將會下降，在供水量等于用水量的時候，則供水管道中的水壓保持不變。所以，在控制流量時，我們將水壓作為控制的參照變量。控制系統結構如圖1所示。
圖1 控制系統結構圖
系統采用基于PLC內部PID的變頻恒壓供水方式，應用三個水泵的循環運行以及在變頻電源和工頻電源之間的轉換來完成恒壓供水過程，1#泵和2#泵為主要供水泵，3#泵作為備用的水泵。其控制流程圖如圖2所示。
圖2 控制系統結構圖
該系統使用了PID閉環控制方式，利用壓力傳感器測量出管道中水壓，然后將壓力轉變為電信號，反饋至PID控制器，經過計算得出偏差，運用變頻器來改變水泵的轉速；在居民用水量增加時，供水管道中的水壓將小于壓力設定值，此時變頻器的輸出頻率會變大，提高水泵的轉速，從而增加供水量，當1#泵的轉速達到上限，且供水管道中的水壓還小于壓力設定值，此時1#水泵將由變頻狀態自動切換至工頻狀態下工作，2#泵變頻工作，若此時管網的水壓大于壓力設定值，2#泵轉速下降，頻率減小，當減小到下限時管網壓力仍大于壓力設定值，1#泵停止，2#泵變頻工作，在管網水壓快要達到壓力設定值時，水泵轉速的變化開始減緩一直到轉速不再改變，以使供水管道中的水壓恒定在壓力設定值上，從而達到供水壓力穩定的要求。
3 系統的硬件設計
PLC主要由CPU、存儲器、I/O口、外設編程器及電源等構成[3]。CPU是由寄存器、控制器以及運算器組成，它是PLC用來完成信息操作的單元；存儲器用來放置數據、系統程序和用戶程序等；數字量和模擬量的I/O口用于現場操控、檢測設備和執行設備的連接，PLC輸入端口包括三種輸入形式，分別為直流輸入、交流輸入和交直流輸入，輸出形式包含晶閘管、晶體管和繼電器等類型；PLC的供電電源不僅為PLC提供主電源，同時為PLC的內部元件的穩定運行提供所需要的直流電，為內部元件供電的方式通常采用開關形式，此方式穩定性較高，出現故障頻率低，并且有較強的抗干擾能力。另外，PLC電源還可為外部電路提供24V的直流電源。
本項目PLC信號接口采用9個輸入、8個輸出以及1個模擬量輸入輸出，加上性能與成本的考慮，選擇了西門子S7-200系列小型PLC的CPU224XP型CPU單元。224單元自帶數字量I/O口，14個輸入，10個輸出；內部配置了2個模擬量輸入端口（AIW）和1個模擬量輸出端口(AQW)，擁有2個通訊口，可用于與上位機和變頻器的通訊，完全能夠滿足本次設計的需求，達到預期的控制效果。
S7-200的PLC常用的編程元件主要包括數字量輸入繼電器（I）、數字量輸出繼電器（Q）、特殊標志繼電器（SM）、輔助繼電器(M)等。
系統采用的西門子7.5KW變頻器，考慮到電網的頻率、變頻器和電機工作頻率等多方面的因素，把50HZ設定為電機運行時頻率可調的最大值，將20HZ設置為電機運行時頻率可調的最小值，由于在變頻調速中調節電機的頻率不會降至0HZ，所以最小頻率為20HZ，也是執行減泵操作的界限。
變頻器與PLC的通信可采用西門子USS通信協議實現。其在工作過程中，由USS主站發出通信的信號，且不停地查詢每個從站，從站在收到數據命令之后，判斷能否執行和怎么執行。
系統硬件接線圖如圖3所示。
圖3 硬件接線圖
4 組態監控畫面設計
目前，組態王監控軟件是工業生產中使用最多的監控工具。該軟件還有程序設計和管理等功能，使工廠生產達到最優化。
它的基本組成有管理器、瀏覽器以及運行系統。管理器用于建立和管理新項目，對已經存在的項目執行相關的操作。瀏覽器的作用是建立監控界面、定義及分配變量、編輯運行語言等。運行系統的作用是可以讓用戶遠程監管和控制工廠的生產流程，提高生產效率。
該軟件具有很強的兼容性，它能夠通過自帶的通信端口完成和常見設備的通信，例如：PLC、VVVF等。除此之外它還可以利用OPC、DDE和別的軟件進行數據的傳輸與交換[4]。
組態王軟件具有以下特點：
（1）在一定程度上加強了用戶對生產控制的能力、可以提高生產的效率和質量、降低原料損耗。
（2）開發界面為中文，編程十分方便，操作起來比較容易，能夠使用戶很快的學會該軟件。
（3）參數輸入方便快捷，運行仿真可以重復操作，實時曲線可以直觀的反映出參數變化的趨勢。
在組態王和PLC的通信中，我們運用的是PPI通信協議。它是專為S7-200PLC設計的一種主從協議。
圖4 監控畫面
5 結束語
現有系統實現了對供水系統的控制、調節以及設備運行狀態的監控功能，以后可以通過更多現場數據的采集與傳輸，如：水位、功率、電壓等，通過開發上位機數據管理系統，實現具有綜合功能的自動控制和管理系統，提高對系統的管理能力，這部分功能將是后期研究的重要內容。