本實(shí)用新型屬于恒壓供水技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的變頻恒壓供水智能控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在水資源和電能短缺的背景下，長期以來在高層建筑供水技術(shù)方面自動化程度一直比較低，主要表現(xiàn)在造成能源浪費(fèi)和設(shè)備損傷。在傳統(tǒng)恒速泵加氣壓罐的供水方式中，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運(yùn)行時，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時，供水壓力超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費(fèi)。同時水泵使用工頻啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。而變頻恒壓供水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無極調(diào)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，節(jié)省能量，同時變頻器對水泵采取軟啟動，啟動沖擊電流小，恒壓供水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)范圍大。

另外，對供水系統(tǒng)安全的監(jiān)控多數(shù)只停留在現(xiàn)場階段，各供水單元之間無法傳達(dá)運(yùn)行狀況信息，無法及時的根據(jù)異地供水單元的故障來找到解決和防范的措施，提高安全性。就上述問題，我們有必要開發(fā)一套既能夠?qū)┧到y(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行平穩(wěn)、可靠的控制，又能夠集中地對多地供水單元的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時、有效監(jiān)控的控制系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有供水系統(tǒng)的不足，提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)的變頻恒壓供水智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對于高層建筑供水系統(tǒng)的恒壓控制和對供水系統(tǒng)各單元的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時反饋各單元的運(yùn)行狀況，及早獲悉故障信息，確保居民用水水壓和流量實(shí)時保持在最優(yōu)范圍內(nèi)，不出現(xiàn)水壓過高或過低及空抽等損壞設(shè)備的現(xiàn)象。使供水系統(tǒng)更加節(jié)電節(jié)水，安全可靠，可實(shí)時監(jiān)控。

一種基于物聯(lián)網(wǎng)的變頻恒壓供水智能控制系統(tǒng)，包括物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端1、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊連接設(shè)備2、PLC控制設(shè)備3、變頻器4、液位傳感器5、壓力變送器6、電接點(diǎn)壓力表7、穩(wěn)壓罐8、電動蝶閥9；物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端1與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊連接設(shè)備2的GPRS調(diào)制解調(diào)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)通信連接；遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊連接設(shè)備2的GPRS調(diào)制解調(diào)器通過RS232串口與PLC控制設(shè)備3連接，SIM卡插在GPRS調(diào)制解調(diào)器的SIM插槽內(nèi)。PLC控制設(shè)備3的另一端分別外接變頻器4、液位傳感器5、壓力變送器6、電接點(diǎn)壓力表7、穩(wěn)壓罐8和電動蝶閥9。變頻器4由主電路供電，連接泵組10并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。

一種基于物聯(lián)網(wǎng)的變頻恒壓供水智能控制系統(tǒng)的控制方法，該變頻恒壓供水智能控制系統(tǒng)的控制部分分為下位機(jī)變頻自動運(yùn)行控制程序和上位機(jī)檢測監(jiān)控程序。下位機(jī)變頻自動運(yùn)行控制程序選擇梯形圖作為PLC編程語言，上位機(jī)檢測監(jiān)控程序是基于LabVIEW平臺開發(fā)的。變頻恒壓供水系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行、手動控制運(yùn)行、遠(yuǎn)程監(jiān)控。下位機(jī)變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制程序分為主程序和中斷子程序。主程序就是對整個變頻恒壓供水系統(tǒng)全自動工作的設(shè)計(jì)；子程序起著中斷的作用，用于調(diào)節(jié)工作頻率，使其穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

主程序模塊在系統(tǒng)即將運(yùn)行前進(jìn)行初始化，對系統(tǒng)內(nèi)各個部分的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢測故障，若無故障，系統(tǒng)繼續(xù)向下運(yùn)行。若有故障，系統(tǒng)回到初始化步驟接著對各個參數(shù)進(jìn)行處理。在初始化完成之后是對水箱液位的檢測，直到滿足要求后進(jìn)行下一步。在開啟水泵之前要檢測運(yùn)行時間，到達(dá)10S才可以開始進(jìn)行供水，到達(dá)時間1號水泵開始變頻運(yùn)行供水，此時2號水泵是停止?fàn)顟B(tài)。從1號水泵運(yùn)行開始，系統(tǒng)檢測1號水泵運(yùn)行時間，到達(dá)2h設(shè)定值后1號水泵停止，2號水泵依然為停止?fàn)顟B(tài)。此時檢測換泵時間，到達(dá)10S后2號水泵開始進(jìn)行工作，1號水泵則停止工作。2號水泵從工作開始到達(dá)2h的給定時間后，停止工作，此時1號水泵依然沒有工作。系統(tǒng)檢測換泵時間，到達(dá)10S后，1號水泵再次啟動運(yùn)行，2號水泵為停止?fàn)顟B(tài)。即整個系統(tǒng)的主運(yùn)行流程。兩臺水泵互相交替運(yùn)行，之間設(shè)有互鎖，不能同時工作。

中斷子程序是檢測變頻器的頻率是否滿足設(shè)定值。首先通過壓力變送器檢測壓力，看是否達(dá)到設(shè)定值。若達(dá)到設(shè)定值，將檢測值給變頻器并減0.5Hz，判斷此時頻率是否小于頻率下限，不小于直接給變送器，小于將頻率設(shè)為0Hz給變頻器；若未達(dá)到設(shè)定值，將檢測值加0.5Hz，判斷此時頻率是否大于頻率上限，不大于直接給變頻器，大于將頻率設(shè)為50Hz給變頻器。

上位機(jī)檢測監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)與下位機(jī)的通信，即通過人機(jī)界面來設(shè)置相關(guān)參數(shù)并實(shí)時顯示每個環(huán)節(jié)參數(shù)的變化是否正常，如供水超高壓、出水壓力、電機(jī)頻率、電機(jī)運(yùn)行時間這些重要的參數(shù)。此外監(jiān)控畫面還形象地呈現(xiàn)穩(wěn)壓罐的水量以及水泵葉輪的轉(zhuǎn)動情況。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及效果是：(1)采用基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，不受地域限制，能匯聚系統(tǒng)各單元安全信息，并對其進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度，便于離線監(jiān)控。(2)采用變頻調(diào)速加穩(wěn)壓系統(tǒng)的控制方式，實(shí)現(xiàn)對水泵機(jī)組的實(shí)時最優(yōu)調(diào)速，使系統(tǒng)更節(jié)能、安全。有效解決了傳統(tǒng)恒速泵加氣壓罐控制方式精確度和穩(wěn)定性差的問題。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實(shí)用新型的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本實(shí)用新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路原理圖。

圖4為本實(shí)用新型控制機(jī)構(gòu)電路原理圖。

圖5為本實(shí)用新型的PLC控制設(shè)備接線圖。

圖6為本實(shí)用新型的變頻器接線圖。

圖7為本實(shí)用新型的主程序流程圖。

圖8為本實(shí)用新型的子程序流程圖。

圖9為上位機(jī)參數(shù)設(shè)置界面。

圖10為上位機(jī)監(jiān)控界面。

圖中：1物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端；2遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊連接設(shè)備；3PLC控制設(shè)備；4變頻器；5液位傳感器；6壓力變送器；7電接點(diǎn)壓力表；8穩(wěn)壓罐；9電動蝶閥；10泵組。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式。

(1)通過管理員的賬號和密碼進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的觸摸屏人機(jī)界面，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，運(yùn)行供水系統(tǒng)；

(2)設(shè)置GPRS調(diào)制解調(diào)器，使之處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，接收PLC控制設(shè)備經(jīng)RS232串口傳來的安全數(shù)據(jù)信息。

(3)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過通訊處理程序的解包后，篩選出有用的數(shù)據(jù)，再封裝成包，在經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器上的TCP/IP協(xié)議棧發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上去。

(4)連接在網(wǎng)絡(luò)上的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端就能夠共享GPRS網(wǎng)絡(luò)上的恒壓供水系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)信息，在監(jiān)控終端上實(shí)時顯示恒壓供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面。

(5)一旦有異樣情況發(fā)生時，監(jiān)控終端會通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)及時發(fā)送查詢和控制命令給GPRS調(diào)制解調(diào)器，然后再由調(diào)制解調(diào)器做出數(shù)據(jù)處理并通過RS232接口和通信線發(fā)送到PLC控制設(shè)備根據(jù)此命令對供水系統(tǒng)故障處進(jìn)行排查并調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制。

本實(shí)用新型變頻恒壓供水系統(tǒng)的主電路原理圖分析：

圖3中2臺電機(jī)M1、M2，分別帶動水泵1#、2#交替運(yùn)行，每一臺都能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行和手動運(yùn)行，兩臺電機(jī)由一臺變頻器控制自動運(yùn)行。接觸器KM2、KM3別控制M1、M2的變頻調(diào)速下的自動運(yùn)行；接觸器KM4、KM5分別控制M1、M2的工頻手動運(yùn)行；KH1、KH2分別為兩臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；FU為主電路的熔斷器。在系統(tǒng)通電之后，旋鈕調(diào)到自動運(yùn)行，接觸器KM1閉合，變頻器通電，此時KM4、KM5為斷開狀態(tài)，KM2得電導(dǎo)致接觸器閉合，電機(jī)M1運(yùn)行，此時系統(tǒng)工作在自動運(yùn)行狀態(tài)下。同理，若KM3得電導(dǎo)致接觸器閉合，電機(jī)M2運(yùn)行，此時系統(tǒng)也是工作在自動狀態(tài)，KM2、KM3在控制電路中設(shè)置了互鎖，絕不會同時運(yùn)行。若系統(tǒng)在通電后，旋鈕調(diào)到手動運(yùn)行，KM1不得電，所以變頻器不啟動，KM2、KM3處于斷開狀態(tài)。通過旋鈕能分別控制KM4、KM5的啟動，兩臺水泵不會同時運(yùn)行工作，此互鎖裝置在控制電路和PLC控制程序中實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)用新型變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)電路原理圖分析：

圖4中變頻恒壓供水系統(tǒng)自動狀態(tài)的控制由PLC程序完成。將單刀雙擲開關(guān)SA旋到自動運(yùn)行模式，3、4點(diǎn)連接，自動運(yùn)行指示燈HD點(diǎn)亮。繼電器KM1得電，主電路和控制電路中的接觸器KM1都得電閉合，此時若Q0.0輸出為1，則K1閉合。水壓低至電接點(diǎn)壓力表下限P1閉合，繼電器K4得電，接觸器K4都閉合，此時繼電器KM2得電，1號泵指示燈HL1點(diǎn)亮，電動機(jī)M1帶動水泵1號工作，在變頻器調(diào)節(jié)下開始給管網(wǎng)恒壓供水。持續(xù)供水中若水壓達(dá)到了電接點(diǎn)壓力表的上限，P2閉合，繼電器K5得電，斷開串聯(lián)在K4繼電器上的常閉觸點(diǎn)K5，導(dǎo)致繼電器K4失電，因此KM2斷電水泵停止工作，同時串聯(lián)在繼電器K5上的接觸器K4斷開，此時繼電器K5斷電，整個系統(tǒng)停止供水。由于用戶繼續(xù)用水水壓會不斷降低，當(dāng)水壓再度降至電接點(diǎn)壓力表下限，P1閉合，整個循環(huán)過程又開始了。若Q0.1輸出為1，K2閉合繼電器KM3得電，就是2號泵運(yùn)行，兩泵的切換由PLC程序控制。所以這就是自動控制部分的原理。

手動控制通過人為操作控制柜上的按鈕控制設(shè)備運(yùn)行，該方式主要供設(shè)備調(diào)試、故障和檢修時使用。先將單刀雙擲開關(guān)SA旋至手動運(yùn)行模式，可以通過開關(guān)分別對水泵1和水泵2進(jìn)行控制起停。手動模式繼電器K6得電，接觸器K6閉合。若此時水壓在電接點(diǎn)壓力表下限，P1閉合繼電器K4得電，接觸器K4閉合，將旋鈕SQ1打開，1號泵手動指示燈HD點(diǎn)亮，繼電器KM4得電，主電路電機(jī)M1帶動水泵1工作；如不打開旋鈕SQ1而打開旋鈕SQ2，2號泵手動指示燈HD點(diǎn)亮，繼電器KM5得電，主電路電機(jī)M2帶動水泵2工作。同理，水壓上升至電接點(diǎn)壓力表上限時，P2閉合繼電器K5得電，斷開串聯(lián)在K4繼電器上的常閉觸點(diǎn)K5，導(dǎo)致繼電器K4失電，串聯(lián)在繼電器K5上的接觸器K4斷開，此時繼電器K5斷電，整個系統(tǒng)停止供水。在主電路上安裝了熱繼電器，防止手動操作時出現(xiàn)過載的情況，一旦出現(xiàn)意外主電路熱繼電器KH1/KH2斷開，手動線路上KH1/KH2斷開及時切斷電源。

本實(shí)用新型PLC控制設(shè)備接線分析：

如圖5所示的PLC接線圖，其中I0.0接點(diǎn)為自動備妥功能，當(dāng)系統(tǒng)被調(diào)為自動運(yùn)行時，繼電器KM1得電，接觸器KM1閉合，此時進(jìn)入系統(tǒng)備妥狀態(tài)。I0.1接點(diǎn)為液位傳感器開點(diǎn)，液位傳感器有三個水位檢測桿，一旦三個桿接觸不到水，說明此時液位不夠水池缺水，液位傳感器開點(diǎn)閉合，PLC控制連鎖停機(jī)。若不缺水狀態(tài)，I0.1為斷開，水泵可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。I0.5接變頻器故障點(diǎn)，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時接觸器K3閉合，PLC控制連鎖停機(jī)。Q0.0與Q0.1為PLC通過程序控制兩臺水泵交替運(yùn)行的接點(diǎn)。壓力變送器需要接到PLC中，產(chǎn)生4～20mA信號。L+接點(diǎn)接壓力變送器的正極，送入24V正電壓；壓力變送器的負(fù)極輸出接RA、A+接點(diǎn)，A-端供24V負(fù)電壓，與M端相連。這樣將壓力變送器連接到了PLC中。M0與V0兩個端子接變頻器的GND/VS兩個接點(diǎn)，將0～10V信號送入變頻器，作為頻率給定。電接點(diǎn)壓力表有三個接點(diǎn)：壓力表下限接點(diǎn)接145/P1；壓力表上限接點(diǎn)接143/P2；壓力表公共端接101/B。壓力變送器有正極與負(fù)極，上面提到正極接L+端，負(fù)極接A+端。液位傳感器有三個檢測桿接入三個點(diǎn)E1、E2、E3。

本實(shí)用新型變頻器接線及功能的設(shè)定：

如圖6所示變頻器R、S、T三個端子分別接入主電路LA、LB、LC380V電壓供電。FWD端為電機(jī)的正轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)PLC給繼電器K1供電，接觸器K1吸合，輸出正電壓，使水泵正轉(zhuǎn)。由于一個變頻器帶兩個水泵，所以同理，無論是K1閉合還是K2閉合，變頻器都輸出正電壓使水泵正轉(zhuǎn)。繼電器K3接變頻器故障點(diǎn)，與PLC的I0.5端子相接，一旦變頻器出現(xiàn)故障，TA會吸合，K3繼電器得電，與之連接的PLC中K3接觸器閉合，PLC控制連鎖停機(jī)。VS/GND兩端子輸入模擬量，與EM235中M0/V0連接。PLC將0～10V信號送入變頻器，變頻器對應(yīng)頻率為0～50Hz，為線性對應(yīng)關(guān)系。

本實(shí)用新型的系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與PLC工業(yè)自動化技術(shù)相結(jié)合，并具備遠(yuǎn)程通信能力，使得分散的供水單元能夠統(tǒng)一受到監(jiān)控。通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實(shí)時監(jiān)控恒壓供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提高供水系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)效率和安全性；變頻器和恒壓系統(tǒng)對供水壓力進(jìn)行快速，實(shí)時，精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)智能、高效、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。