冗余测量控制的水厂加压站恒压供水智能控制系统

摘要

一种冗余测量控制的水厂加压站恒压供水智能控制系统，属于自来水供水电机水泵控制技术领域。包括断路器与熔断器装置、冗余信号处理‑智能控制器装置、自动控制开关组合装置、触摸操作显示屏、第一压力表、第二压力表、1#变频器、2#交流接触器、3#变频器、交流接触器组合装置。优点在于，能够全天候保证控制供水压力的恒定，消除因压力测量、水泵、电机、控制主回路及变频器故障导致停水状况发生。供水方式最优化。节约能源。电机水泵控制过程全部自动化，安全可靠。

说明书

技术领域

本发明属于自来水供水电机水泵控制技术领域，特别是提供了一种冗余测量控制的水厂加压站恒压供水智能控制系统。能够全天候保证控制供水压力的恒定，同时保证供水方式最优化。居民正常用水的同时水厂效益最优化。

背景技术

水厂加压站供水系统是由市政水厂供水管网在一个片区内通过电机水泵供水管道加压后进入区域供水管路，使区域居民能够正常用水。否则在用水过程中时，由于管网长，用水量大，区域居民供水管道压力低，无法正常用水，在极端情况下，甚至无水可用。特别在节假日里，若电机水泵一旦发生故障，多数情况不能及时解决问题，导致区域居民长时间无法用水。在正常情况下，为了保持区域居民用水正常，需要保持供水管道压力恒定，在供水管道口径一定的情况下，用水量大时，若保持原来压力，电机水泵必须提高转速满足流量的要求；用水量小时，电机水泵必须降低转速，使管道流量减少，以保持原来管道压力，否则管道压力超高，容易造成管道爆裂，造成损失。由于区域居民用水实时变化，管道压力随用水情况实时改变。为满足管道压力的恒定，需要测量管路实际压力。

为了克服了管道压力测量带来的风险，避免电机水泵故障而停机，采用冗余测量管道压力的方式，冗余配置电机及水泵。为了恒定压力，采用冗余配置的变频器驱动电机带动水泵自动控制供水流量。一般深夜居民用水显著减少，为了供水方式最优化，应用小功率电机水泵工作保持管道压力恒定，这样电机水泵工作处于高效区，节约了能源。信号智能处理、控制操作过程智能化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冗余测量控制的水厂加压站恒压供水智能控制系统，用于区域供水管网供水压力控制；克服了管道压力测量带来的风险，避免电机水泵故障而停机等问题。

本发明通过冗余测量管网压力方式，冗余配置电机、水泵及变频器，能够自动处理压力信号，自动判断压力测量中的故障和修正，故障发生时，控制系统自动切换到正常的电机、水泵及变频器运行状态，通过变频器中内置PID控制器控制水泵转速达到供水流量控制，管道压力恒定、安全可靠。在深夜时，若小功率电机水泵正常，系统自动切换小泵恒压运行。系统一键控制，过程智能化运行。

本发明包括断路器与熔断器装置1、冗余信号处理-智能控制器装置2、自动控制开关组合装置3、触摸操作显示屏4、第一压力表11、第二压力表12、1#变频器5、2#交流接触器6、3#变频器7、交流接触器组合装置8。其中，1#变频器5、2#交流接触器6、3#变频器7均带显示控制盘、Ethernet通讯模块及内置PID控制器。

断路器与熔断器装置1的进线是五线制进线3相380V动力电源和N线及地线PE，断路器与熔断器装置1与1#变频器5、2#交流接触器6、3#变频器7、交流接触器组合装置8连接。冗余信号处理-智能控制器装置2与自动控制开关组合装置3、1#变频器5、2#交流接触器6、3#变频器7、交流接触器组合装置8、触摸操作显示屏4及第一压力表11和第二压力表12相连相连。交流接触器组合装置8与1#水泵21的1#驱动电机18、2#水泵22的2#驱动电机19、3#水泵23的3#驱动电机20、1#进水管道阀门电机24、2#进水管道阀门电机25及3#进水管道阀门电机26相连。1#驱动电机18带动1#水泵21转动且高水压自动打开1#逆止阀15、2#驱动电机19带动2#水泵22转动且高水压自动打开2#逆止阀16、3#驱动电机20带动3#水泵23转动且高水压自动打开3#逆止阀17、1#进水管道阀门电机24带动1#管道阀门开闭、2#进水管道阀门电机25带动2#管道阀门开闭、3#进水管道阀门电机26带动3#管道阀门开闭。自动控制开关组合装置3给冗余信号处理-智能控制器装置2供电，自动控制开关组合装置3把主回路通断控制信号给交流接触器组合装置8，主回路状态信号给冗余信号-智能控制器装置2反馈。冗余信号处理-智能控制器装置2计算判断2路第一压力表11和第二压力表12的压力信号得到的综合压力信号再通过Ethernet通讯模块连接到1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7；冗余信号处理-智能控制器装置2综合压力信号通过RS232/485通讯连接到触摸操作显示4显示；1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7速度反馈信号通过Ethernet通讯模块连接到冗余信号处理-智能控制器装置2；1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7状态信号通过Ethernet通讯模块连接到冗余信号处理-智能控制器装置2进而在触摸操作显示4显示。冗余信号处理-智能控制器装置2通过Ethernet模块通讯方式把变频器及电机运行与状态信号给控制室监控系统。

冗余信号处理-智能控制器装置2由直流电源、CPU模块、CPU底板、Ethernet通讯模块、模拟量模块、开关量模块、模拟量I/O底板及开关量I/O底板构成。CPU模块与Ethernet通讯模块安装在CPU底板上，模拟量模块安装在模拟量I/O底板上、开关量模块安装在开关量I/O底板上，模拟量I/O底板及开关量I/O底板与CPU底板相连接，直流电源给CPU单元模块、Ethernet通讯模块、模拟量及开关量模块供电。直流电源采用ABB CP-E 24/2.5 1个,进线100-240V AC输出24V DC/2.5A；CPU模块是ABB PLC产品PM572 1个；CPU底板是ABB TB511-ETH 1个；Ethernet通讯模块是ABB CM 577-ETH 1个；模拟量模块是ABB PLC AI531 1个,8路模拟量输入；开关量模块是ABB DX522 1个，8路24V开关量输入，8路继电器开关量输出；I/O模块底板是ABB TU515 1个，TU531 1个；2路压力测量信号进入模拟量模块；综合压力信号由Ethernet通讯模块给1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7作为反馈信号；3路电机实际转速信号及3路变频器的各种状态信号由变频器通过Ethernet通讯模块反馈给冗余信号处理-智能控制器装置2，冗余信号处理-智能控制器装置2通过RS232/485接口在触摸操作显示屏4显示；管道压力希望设定值、定时电机运行时间及实际人工操作控制按钮信号由触摸操作显示屏4通过RS232/485接口给冗余信号处理-智能控制器装置2，再通过Ethernet通讯给变频器。冗余信号处理-智能控制器装置2通过开关量模块控制水泵电机、阀门电机的主回路的通断和采集主回路状态信号。

本发明的优点在于：冗余信号处理及控制，能够完全满足区域居民用水要求；消除因压力测量、水泵、电机、控制主回路及变频器故障导致停水状况发生。两路变频器能根据时间定时轮换运行。夜间定时小功率泵运行，供水方式最优化。节约能源。控制系统运行可靠性。电机水泵控制过程全部自动化，安全可靠。

附图说明

图1为冗余测量控制的水厂加压站恒压供水智能控制系统整体结构示意图。其中，断路器与熔断器装置1、冗余信号处理-智能控制器装置2、自动控制开关组合装置3、触摸操作显示屏4、1#变频器5、2#交流接触器6、3#变频器7(1#变频器5、2#交流接触器6、3#变频器7均带显示控制盘、Ethernet通讯模块及内置PID控制器)、交流接触器组合装置8、第一压力表11、第二压力表12、第一1#小阀门13、第二1#小阀门14、1#逆止阀15、2#逆止阀16、3#逆止阀17、1#驱动电机18、2#驱动电机19、3#驱动电机20、1#水泵21、2#水泵22、3#水泵23、1#供水管道阀门电机24、2#供水管道阀门电机25、3#供水管道阀门电机26

具体实施方式

本发明包括断路器与熔断器装置1、冗余信号处理-智能控制器装置2、自动控制开关组合装置3、触摸操作显示屏4、第一压力表11、第二压力表12、带显示控制盘、Ethernet通讯模块及内置PID控制器的1#变频器5、带显示控制盘、Ethernet通讯模块及内置PID控制器的2#交流接触器6、带显示控制盘、Ethernet通讯模块及内置PID控制器的内置PID控制器的3#变频器7、交流接触器组合装置8。断路器与熔断器装置1的进线侧连接五线制进线3相380V动力电源和电源N线及地线PE,出线侧连接到1#变频器5、2#变频器6、3#变频器7及交流接触器组合装置8的进线侧；1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7出线侧连接交流接触器组合装置8的进线侧，交流接触器组合装置8的出线侧分别连接到1#水泵21的驱动电机18、2#水泵22的驱动电机19、、3#水泵23的驱动电机20、1#供水管道阀门电机24、2#供水管道阀门电机25及3#供水管道阀门电机M26，电机18带动水泵21转动、电机19带动水泵22转动、电机20带动水泵23转动、电机24带动1#供水管道阀门开闭、电机25带动2#供水管道阀门开闭、电机26带动3#供水管道阀门开闭。断路器与熔断器装置1的出线侧再把控制电源连线到自动控制开关组合装置3，自动控制开关组合装置3给冗余信号处理-智能控制器装置2供电，自动控制开关组合装置3主回路通断控制与组态信号再分别与冗余信号-智能控制器装置2、交流接触器组合装8连接；二路压力测量的压力表11、压力表12连接到冗余信号处理-智能控制器装置2，冗余信号处理-智能控制器装置2计算判断得到的综合压力信号再通过Ethernet通讯模块连接到1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7，冗余信号处理-智能控制器装置2综合压力状态信号通过RS232/485接口连接到触摸操作显示4显示；1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7速度反馈信号通过Ethernet通讯模块连接到冗余信号处理-智能控制器装置2；1#变频器5、2#变频器6及3#变频器7状态信号通过Ethernet通讯模块连接到冗余信号处理-智能控制器装置2进而在触摸操作显示4显示。冗余信号处理-智能控制器装置2通过Ethernet模块通讯方式把变频器及电机运行与状态信号给控制室监控系统用于监视。

下面将通过附图1对本发明作进一步的说明。

在区域水管上安装两套测量水压力装置，测量时先人工打开1#小阀门小阀门13及2#小阀门14，使测量元件接触水。采用单晶硅测量元器件的带数字显示的压力变送器。测量精度高，不易损坏。现场可以直观显示当前管道压力值，压力变送器带4-20MA输出。两路压力表分别通过带屏蔽的双绞导线接到冗余信号处理-智能控制器装置上。冗余处理-智能控制器装置通过程序自动处理判断压力信号。对于压力变送器故障，表现为压力为0或最大，不稳定，波动大，偏离正常范围，维修及更换时先关闭小阀门。冗余信号处理-智能控制器实时能够处理压力信号。若两路压力测量信号正常，通过数字滤波、根据算数平均法计算压力值做为输出信号；一路压力值故障，控制器把另一路压力信号通过数字滤波后值做为输出信号。冗余信号处理-智能控制器装置把综合压力值通过Ethernet通讯作为压力反馈信号给变频器用于PID控制。

1#、2#及3#变频器把本身及状态信号通过Ethernet通讯给冗余信号处理-智能控制器装置。水泵故障时，为如叶轮损坏、松动或密封圈坏，表现形式为管道水压力值明显比正常值低；电机、电缆故障，如相间短路、相间断路、接地在变频器上表现为相同类型故障；变频器故障，如电源进线故障、短路故障、输出缺相故障、接地故障、控制盘丢失故障、硬件故障。冗余处理-智能控制器装置通过Ethernet通讯接收变频器提供的各种状态信号综合分析与处理，实时判断设备处于何种状态-正常或故障。1#、2#及3#变频器均正常时，根据现场操作人员在触摸操作显示屏上的预设的电机先运行，另外变频器热备；当运行变频器故障或运行变频器满转速运行但测量的管道实际压力远远低于正常设定值，持续时间超过2分钟，判断电机、水泵或变频器故障，冗余处理-智能控制器装置发出此变频器停止运行信号，同时发出信号给自动控制开关组合装置，自动控制开关组合装置给出信号到交流接触器组合装置断开此路交流接触器和关闭此路管道阀门，并通过交流接触器组合装置状态反馈给自动控制开关组合装置再到冗余处理-智能控制器装置，判断状态是否正常，并在触摸操作显示屏上显示。冗余处理-智能控制器装置判断确定停机后，先自动控制开关组合装置给出控制信号到交流接触器组合装置接通此路交流接触器和打开此路管道阀门，并判断状态是否正常。正常后再向变频器发出运行信号，变频器运行。冗余信号处理-智能控制器装置实时监测变频器运行状态和运行时间，并触摸操作显示屏实时显示。当在一路变频器运行达到预先在触摸操作显示屏设定的时间后，在另一路确定无故障的状态下才停止此路变频器运行并启动另一路变频器运行。；若另一路电机、水泵或变频器处于故障状态，不进行切换；电机水泵运行定时轮换，能防止电机绕组线圈潮湿、水泵锈蚀等现象发生，保证电机及水泵均处于正常状态。深夜时，冗余信号处理-智能控制器装置根据现场操作人员预先在触摸操作显示屏上设定的时间段运行小功率电机水泵，但小功率电机水泵故障状态时不切换。

现场操作人员预先通过变频器内置的显示操作盘给变频器程序组态，程序组态有电机名牌中额定参数，Ethernet通讯参数、PID控制参数，电机运行方向参数；电源正常、运行、故障、进线电源缺相、过压、欠压，缺相、过流、短路等变频器状态输出参数；希望管道达到的压力设定值及实际综合管道压力值。

变频器PID控制是根据压力设定值与实际反馈值相比较，通过PID运算控制电机转速，当区域管道居民用水量少时，使用流量少，在此时电机转速下，实际压力增高，高于压力设定值，此时PID控制器输出值变小，控制变频器输出变小，电机转速减小，管道供水流量变小，压力实际值降低接近并达到原设定值；当区域居民用水量大时，使用流量多，在此电机转速下，实际压力值减少，低于压力设定值，此时PID控制器输出值变大，控制变频器输出使转速增大，管道供水流量变大，压力实际反馈值增高接近并达到原设定值。当压力反馈值与设定的压力值在值达到动态平衡；当区域居民用水量变化导致压力反馈值变化时，PID控制输出值自动改变，增大或减小，PID控制输出值与压力反馈值变化方向相反，来达到新的控制动态平衡，保证压力实际值恒定。

正常操作时，现场操作人员先在断路器与熔断器组合装置中合上断路器，此时冗余处理-智能控制器装置、变频器、自动控制开关组合装置带电，冗余处理-智能控制器装置、变频器内置程序初始化运行，Ethernet通讯正常，正常测量管道压力、控制室监控系统通讯正常，触摸操作显示屏正常显示，显示变频器、电机及主回路和管道阀状态，同时这些信息及状态在控制室监控系统能够监视。现场操作人员预先在触摸操作显示屏上设定运行变频器序号，设定定时时间段，设定希望压力值。触摸控制按钮，现主回路接通及管道电动阀门开启，启动变频器，电机水泵控制系统全部自动化运行。