基于PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)改造

摘 要：隨著社會的發(fā)展，人們對供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；且目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢。本文對我司供水范圍內(nèi)的一個加壓泵站進(jìn)行改造，采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，其運(yùn)行可靠且實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。經(jīng)實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實(shí)時性，極大地提高了供水質(zhì)量，并且節(jié)省了人力和電耗，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：改造；恒壓供水；變頻；PLC

一、前言

我司加壓泵站供水范圍為河源市老城片區(qū)，日供水能力3.8萬m3/d，擁有三臺90KW水泵，加壓前管網(wǎng)壓力0.15-0.2MPa，加壓后管網(wǎng)壓力0.35-0.45MPa。

該加壓泵站當(dāng)前設(shè)備較陳舊采用手動控制，需專人看管，由于值班人員的責(zé)任心不強(qiáng)，導(dǎo)致容易出現(xiàn)異常，給居民用水帶來極大的不便。本文以本公司供水片區(qū)的管道加壓供水系統(tǒng)為例，進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出其存在的問題和不足，利用PLC控制變頻技術(shù)對其進(jìn)行技術(shù)改造，使之達(dá)到自動恒壓控制的目的，提高系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。

二、泵站現(xiàn)有控制系統(tǒng)的分析

（一）加壓泵站現(xiàn)使用加壓供水系統(tǒng)的組成。

本泵站由一條DN600進(jìn)水管，一條DN600出水管，一條旁通管，三套水泵機(jī)組和數(shù)個蝶閥、止回閥組成。水泵機(jī)組白天至晚上兩用一備，凌晨一用兩備。每臺水泵配備有變頻器，水泵均采用變頻運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)恒壓目標(biāo)，在加壓后管網(wǎng)監(jiān)測壓力變化，反饋回給帶PID調(diào)節(jié)的壓力控制儀表。壓力控制儀表輸出信號給其中一臺水泵，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)確定壓力控制儀表所控制的水泵實(shí)現(xiàn)變頻功能。

（二）現(xiàn)系統(tǒng)控制說明。

該系統(tǒng)采用簡單的壓力控制儀表進(jìn)行控制，具有手動和自動恒壓控制功能。當(dāng)系統(tǒng)處于自動控制時，操作人員選擇需要變頻調(diào)速的水泵并設(shè)定目標(biāo)壓力，管網(wǎng)壓力反饋回壓力控制儀表進(jìn)行PID運(yùn)算后控制單臺變頻器變速運(yùn)行，其他啟動的水泵處于變頻全速運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于手動控制時，由操作人員操作變頻器面板實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行。

（三）采用壓力控制儀表對變頻的控制系統(tǒng)存在的不足。

壓力控制儀表控制變頻的控制系統(tǒng)能基本達(dá)到恒壓供水的功能，但仍存在部分缺陷：

1、每次輪換水泵需停所有泵再開啟需輪換的水泵；

2、當(dāng)開啟2臺水泵，當(dāng)供水管網(wǎng)壓力過高時，一臺水泵會減速至停止，而剩下的一臺水泵卻處于全速運(yùn)行不會減速；

3、運(yùn)行人員需時刻關(guān)注供水管網(wǎng)壓力，需人為操作設(shè)備實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的，人力投入大，且運(yùn)行人員勞動強(qiáng)大較高。

三、PLC自動控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)控制目的和原理

針對采用壓力控制儀表對變頻的控制系統(tǒng)存在的問題，通過現(xiàn)有電氣設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造達(dá)到自動控制效果，確保泵站出廠水水壓恒定、降低操作人員的勞動強(qiáng)度和人工成本。通過壓力反饋值與設(shè)定值對比，經(jīng)PLC數(shù)據(jù)處理，調(diào)節(jié)變頻器頻率達(dá)到恒壓效果，最終實(shí)現(xiàn)泵站自動控制。

（二）控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)及說明

根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的控制目的和原理，編制系統(tǒng)運(yùn)行邏輯關(guān)系：

系統(tǒng)起動之后，判斷是自動運(yùn)行模式還是手動運(yùn)行模式。如果是手動運(yùn)行模式則進(jìn)行手動操作，操作人員根據(jù)生產(chǎn)需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。如果是自動運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號執(zhí)行相應(yīng)的操作。

在自動運(yùn)行模式中，當(dāng)PLC接到頻率上限信號時，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量；當(dāng)PLC接到頻率下限信號時，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號變化就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)。

（三）PLC的選型

結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備控制系統(tǒng)所需I/O控制點(diǎn)數(shù)、工作環(huán)境、系統(tǒng)穩(wěn)定度等要求，選用西門子S7-200CN系列PLC規(guī)格CPU 224XP，另增加兩輸出模擬量模塊EM232一個和四輸入模擬量模塊EM231兩個。

（四）程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計(jì)PLC的輸入輸出信號分配及接線控制原理圖，并根據(jù)工藝要求編制PLC運(yùn)行程序。

（五）控制系統(tǒng)運(yùn)行流程

1、手動運(yùn)行。當(dāng)旋轉(zhuǎn)自動/手動轉(zhuǎn)換按鈕時，用手動方式。按下各水泵對應(yīng)電源主接觸器啟動按鈕，接通電源后再按下各水泵對應(yīng)變頻器啟動按鈕，手動調(diào)節(jié)電位器改變變頻器運(yùn)行頻率，該方式僅供自動故障時使用。

2、自動運(yùn)行。由PLC分別控制某臺電機(jī)變頻繼啟動電器，在條件成立時，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制。

升壓控制：系統(tǒng)開始工作時，供水管道內(nèi)水壓力較低，在控制系統(tǒng)作用下根據(jù)設(shè)定壓力，第一臺水泵開始運(yùn)行，啟動后轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間第一臺水泵處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至全速時，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制保持運(yùn)行；同時，使第二臺水泵投入并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到全速時，將繼續(xù)執(zhí)行如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行.當(dāng)最后一臺水泵投人運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到全速，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警。

降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將運(yùn)行時間最長的一臺水泵關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值.當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動頻率時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺水泵運(yùn)行為止。

四、改造完成實(shí)現(xiàn)的效果

1、恒壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，目標(biāo)壓力與實(shí)際壓力誤差0.01MPa左右；

2、水泵實(shí)現(xiàn)主副機(jī)自動輪換功能，保證設(shè)備良好工況運(yùn)行，無需操作人員進(jìn)行手動輪換設(shè)備；

3、控制柜面板（觸摸屏）上可顯示設(shè)定壓力、實(shí)際壓力、水泵電流、水泵頻率、水泵啟停等運(yùn)行參數(shù)；

4、有效降低電耗，同比改造前每月電耗下降約5%。

作者簡介：

鄒煥軍（1987-），男，漢族，廣東河源人，本科，河源市勤誠達(dá)水務(wù)有限公司電氣工程師

（作者單位：河源市勤誠達(dá)水務(wù)有限公司）