基于先進控制技術(shù)構(gòu)建智能化水泵房電氣及自控系統(tǒng)

李顯君，解占孝，李斌壽

（青海鋰業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000）

0 引 言

青海鋰業(yè)有限公司水泵房作為動力車間的一個基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)了供應(yīng)整個廠區(qū)的生產(chǎn)與生活用水、鍋爐循環(huán)冷卻用水及消防用水的任務(wù)。動力車間三個水泵房相距較遠(yuǎn)。由于三個水泵承擔(dān)著原水、過濾水和RO水的供應(yīng)，一直未能實現(xiàn)集中控制，存在各泵房之間銜接困難，對全廠供水（用水）控制不足，突發(fā)情況下無法連鎖保護，各泵房間設(shè)備銜接不暢效率低的情況。為了提高效率，節(jié)約成本，必須提升三個水泵房自動化水平，實現(xiàn)集中管理、分散控制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本次技改應(yīng)用了先進技術(shù)，推進了生產(chǎn)自動化，提升了管理水平。在水泵房電氣及自控系統(tǒng)項目中，系統(tǒng)設(shè)計為設(shè)備層、控制層及信息層三層架構(gòu)，并基于當(dāng)前流行的Prof i Bus、ControlNet數(shù)據(jù)傳輸總線技術(shù)，融合在線監(jiān)測、自動控制、PID閉環(huán)調(diào)節(jié)和安全預(yù)警等信息監(jiān)控手段，構(gòu)建了一套安全、智能的供水自控系統(tǒng)[1]，總體架構(gòu)如圖1所示。

為確保供水安全，系統(tǒng)提供了現(xiàn)場控制級、PLC控制級和生產(chǎn)管理級三級管控方式，并配置一套在線式不間斷電源（UPS），以保證停電時各控制設(shè)備及現(xiàn)場儀表仍能安全可靠運行，不丟失數(shù)據(jù)[2]。

現(xiàn)場控制級――現(xiàn)場按鈕/指示燈、操作站、傳感器、執(zhí)行元器件及輔助觸點，提供了現(xiàn)場設(shè)備操控、供水管網(wǎng)檢測和傳遞控制等功能。其中，水位、流量、壓力傳感器基于Prof i busDP總線，變頻器、泵控軟起動器基于ControlNet總線。每臺水泵電機加裝的PT100鉑金溫度電阻，通過補償導(dǎo)線接入溫度變送器。此外，在監(jiān)控系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)故障停用和維修調(diào)試時，由開關(guān)柜上的操作按鈕通過傳統(tǒng)的接觸器/繼電器電路，仍可直接對水泵進行啟停操作[3]。

圖1 總體架構(gòu)

PLC控制級――采用AB ControlLogix PLC作為主控單元，承擔(dān)供水系統(tǒng)的核心控制，接收監(jiān)控層下達的指令及消防信號，檢測現(xiàn)場設(shè)備、開關(guān)狀態(tài)及傳感器、執(zhí)行元器件的反饋信號。根據(jù)預(yù)定功能進行邏輯運算后，通過執(zhí)行設(shè)備（如變頻器、交流接觸器等）控制水泵有效作業(yè)，同時自動計算存儲設(shè)備累計運行時間，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障還將按故障點所屬區(qū)域進行區(qū)分（如生產(chǎn)生活變頻泵、循環(huán)補水泵、室內(nèi)消火栓及隔火水幕消防泵、室外消火栓消防泵、自動噴水消防供水泵等）[4]。在對應(yīng)開關(guān)柜上提供聲光報警指示，水位超限時還將在值班室PLC柜上提供聲光報警指示。

生產(chǎn)管理級――采用AB PanelView Plus觸摸屏作為現(xiàn)場操作的人機界面，管理計算機采用Rockwell RSView SE組態(tài)監(jiān)控應(yīng)用程序，以3D圖形化界面實時提供直觀的供水系統(tǒng)監(jiān)控，結(jié)合運行曲線、報警信息和統(tǒng)計報表，使用戶即便在集控中心也可對水泵房設(shè)備狀態(tài)（如分閘/合閘、啟動/停止/故障、工作頻率、工作電流、電機溫度、運轉(zhuǎn)時間）、管網(wǎng)壓力、水池水位和供水流量等系統(tǒng)運行狀況一目了然，有利于供水調(diào)度人員根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)調(diào)度和指揮。

其中，針對生產(chǎn)與生活用水、鍋爐循環(huán)冷卻用水系統(tǒng)自動提供變頻調(diào)速控制，以減少管網(wǎng)壓力的波動，保證廠區(qū)內(nèi)自用水壓力足夠且穩(wěn)定。消防供水則統(tǒng)一由消防自控集中監(jiān)控。水泵電氣及自控系統(tǒng)主要考慮實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，并提供對現(xiàn)場開關(guān)柜的控制。

2 系統(tǒng)特點

2.1 控制方式靈活以確保安全

系統(tǒng)具有獨立的控制功能且互為備用，相互之間既可以在自動控制方式下實現(xiàn)聯(lián)動運行，也可以在手動方式下獨立控制。

在系統(tǒng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)正常時，用戶可在集控中心通過管理計算機進行遠(yuǎn)程監(jiān)控與參數(shù)設(shè)置。當(dāng)遠(yuǎn)程計算機或網(wǎng)絡(luò)故障時，用戶可通過值班室PLC柜上的觸摸屏操作站監(jiān)控系統(tǒng)；當(dāng)自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法運行時，可以將現(xiàn)場MNS開關(guān)柜上的“手動/自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至手動，通過開關(guān)柜上的按鈕，對各臺水泵進行獨立啟停操作，以確保供水安全。管道及儀表見圖2。

圖2 供水工段管道及儀表流程圖

2.2 變頻調(diào)節(jié)實現(xiàn)恒壓供水

PLC實時比較管網(wǎng)的實際壓力與用戶設(shè)定壓力差值，自動調(diào)節(jié)輸出頻率，及時控制水泵投切，通過調(diào)整水泵啟動臺數(shù)和轉(zhuǎn)速，在精度范圍內(nèi)保證管網(wǎng)的壓力恒定[5]。無論用水高、低峰，均可在保證供水壓力的前提下，最大限度地節(jié)省電能。

2.3 輪換作業(yè)延長設(shè)備使用壽命

PLC根據(jù)用戶設(shè)定水泵投切周期、當(dāng)前壓力和可用泵數(shù)，自動進行水泵投切，即避免了水泵無效運轉(zhuǎn)或在啟動時存在較大的啟動電流對供電系統(tǒng)、配電設(shè)備和電機的沖擊，同時減少了無謂磨損、頻繁啟停等原因?qū)λ迷斐傻膿p害，延長了電氣設(shè)備、水泵及管網(wǎng)的使用壽命，消除了水錘帶來的危害，減少了維護費用和工作量，提高了供水安全。恒壓供水泵的投切及輪換作業(yè)，按如圖3所示流程設(shè)計。

2.4 現(xiàn)場總線提供高效的數(shù)據(jù)傳遞

通過總線方式連接分布于現(xiàn)場的智能儀表、變頻器和軟起動器，實現(xiàn)安全、高效的數(shù)據(jù)傳遞，提升了系統(tǒng)的開放性、靈活性和可擴展性。

總線方式帶來了諸多好處。第一，提高了設(shè)計的彈性。通過提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的能力來提供無限制的IO端口，提高了互操作性和即插即用能力。第二，提高了吞吐量和可重復(fù)性。通過一根總線可獲取終端設(shè)備的全部參數(shù)信息，并可對調(diào)置參數(shù)進行備份復(fù)用；第三，降低了安裝成本。簡化配線的同時，避免了潛在的錯誤點，減少了勞動力資源，節(jié)省了安裝空間。第四，易于維護。系統(tǒng)基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶可以從任何一點接入系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程訪問、組態(tài)、診斷或維護多層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，使得管理AB的PLC、變頻器、軟起動器等設(shè)備更為容易。參數(shù)查看、設(shè)置如圖4所示。

圖3 投切及輪換設(shè)計圖

圖4 參數(shù)查看

需要說明的是，系統(tǒng)通過PCB對網(wǎng)絡(luò)中的電磁流量計、壓力變送器及超聲波液位計智能總線式儀表進行在線診斷。

2.5 功能全面的故障報警

系統(tǒng)根據(jù)報警限值和事件的嚴(yán)重程度，自動以現(xiàn)場聲光報警、監(jiān)控畫面提示信息或遠(yuǎn)程管理計算機上發(fā)出警示音等多種方式進行全方位報警，同時授權(quán)用戶可對電機溫度、水池水位和管網(wǎng)壓力上、下限進行維護。

2.6 實用的報表查詢

針對管理者關(guān)心的水池進水量、各管網(wǎng)供水量、RO水產(chǎn)量和能量消耗等，系統(tǒng)還提供了報表查詢功能，可按時報、日報、月報等形式查看設(shè)定時段供水量。

3 運行效果

3.1 提升供水安全可靠性

由于水泵房擔(dān)負(fù)廠區(qū)的供水任務(wù)，供水量隨用水點的變化而變化，壓力勢必產(chǎn)生波動。如采用定速控制，必然會導(dǎo)致高峰供水時段管網(wǎng)供水壓力不足；而用水量低峰時段管網(wǎng)壓力過高，易造成爆管現(xiàn)象。采用PLC變頻調(diào)節(jié)控制后，頻率及泵的投切隨管網(wǎng)壓力自動控制，保證了廠區(qū)用水壓力基本恒定不變[6]。

3.2 實現(xiàn)高效節(jié)能

通過采用變頻調(diào)速恒壓控制，可實現(xiàn)在不同用水需量時有效地進行調(diào)控，避免了傳統(tǒng)供水方式損害設(shè)備和一定的能源損耗，降低了噸水電耗。

3.3 提高自動化水平

根據(jù)本次青海鋰業(yè)有限公司動力車間對自控子系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃初衷“分散控制、集中管理、現(xiàn)場無人值守”，智能變頻恒壓供水技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了水泵房自動化控制水平，而且為日后現(xiàn)場無人職守、安全運行提供了可能。

3.4 提升經(jīng)濟效益

供水系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制后，各工序銜接通暢，現(xiàn)場設(shè)備安裝電磁流量計、壓力變送器等遠(yuǎn)程檢測儀表，設(shè)置了聯(lián)鎖保護系統(tǒng)程序，提高了設(shè)備的安全性能。設(shè)備故障率環(huán)比下降5%，每年可節(jié)約一大筆備品配件費用。