李萬亮

天津市武清區(qū)河?xùn)|自來水服務(wù)站

PLC在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

李萬亮

天津市武清區(qū)河?xùn)|自來水服務(wù)站

水泵作為供水工程中的通用機(jī)械，消耗著大量的能源，電耗往往占制水成本的60%以上，我國(guó)每年水泵的電能消耗占電能總消耗的21%。為了節(jié)約能耗，必須采取調(diào)節(jié)措施使泵站適應(yīng)負(fù)荷的變化。恒壓供水在企業(yè)及高層生活小區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛，它可以取代傳統(tǒng)的水塔、高位水箱或氣壓罐等供水方式，不僅節(jié)能效果顯著，還可以極大地改善系統(tǒng)的工作性能，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

PLC；變頻恒壓供水系統(tǒng)；應(yīng)用

1、系統(tǒng)工作原理

可實(shí)現(xiàn)恒壓變量、雙恒壓變量等控制方式，多種啟?？刂品绞?，定壓精度≤±1%；變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行軟啟軟停，減少設(shè)備損耗，延長(zhǎng)電機(jī)壽命；具有自動(dòng)、手動(dòng)及異地操作功能；智能化控制，可任意修改指令參數(shù)(如壓力設(shè)定值、控制順序、控制電機(jī)數(shù)量、壓力上下限、PID、加減速時(shí)間等)；具有完善的電氣安全保護(hù)措施，對(duì)過流、過壓、欠壓、過濾、斷水等故障均能自行診斷并報(bào)警。

恒壓供水是指用戶端不管用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定，這樣既可滿足各部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要變頻器根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管網(wǎng)中水壓恒定的目的。

該系統(tǒng)主要由3臺(tái)水泵、1臺(tái)變頻器、PLC、PID及線性壓力傳感器等組成。其中PLC、PID調(diào)節(jié)器和壓力傳感器組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。PLC控制各臺(tái)誰本的運(yùn)行狀態(tài)(如工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行、停止)，從而控制水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在大范圍內(nèi)控制供水的流量；PID調(diào)節(jié)器控制變頻器對(duì)變頻泵進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，在小范圍內(nèi)控制供水的流量。水泵的速度調(diào)節(jié)采用變頻調(diào)速技術(shù)，利用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行速度控制，采用“一變多定”的控制方式，并根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)變頻水泵。

2、系統(tǒng)構(gòu)成

水廠一般建有泵房和供水車間。建在水源地的深井泵房(稱一級(jí)泵房)，提取地下水壓入水廠蓄水池，深井泵的啟動(dòng)、停止，即可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)控制操作，又可通過中心監(jiān)控室進(jìn)行遙控操作。建在水廠的供水車間(也稱二級(jí)泵房)，將蓄水池的水泵壓倒輸水管網(wǎng)送到千家萬戶，主要由多個(gè)電動(dòng)碟閥和閘閥控制的供水回路、多臺(tái)水泵、電控柜、中心監(jiān)控室等組成，是整個(gè)供水系統(tǒng)的核心。

為維持管網(wǎng)壓力恒定和節(jié)約能耗，采用圖1所示的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，由1臺(tái)PLC作為控制單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。安裝在泵房總出水閥處輸水管上的壓力變速器，能將管道中時(shí)刻變化著的水壓信號(hào)變換成電信號(hào)(4—20mA)，傳送給PLC，PLC把該電信號(hào)與程序中設(shè)定的“恒定壓力上下限”的數(shù)字值進(jìn)行比較后控制系統(tǒng)執(zhí)行單元的變頻器和自耦降壓?jiǎn)?dòng)器。變頻器和自耦降壓?jiǎn)?dòng)器都能控制這三臺(tái)水泵中任何一臺(tái)，只是它們不能同時(shí)控制某一水泵。變頻器處自耦降壓?jiǎn)?dòng)器互為備用，都接自同一電路三相電源線，又都受PLC直接控制，且變頻器還時(shí)刻接受PLC傳來的“是否要改變頻率”的指令，視水壓變化來控制某一臺(tái)泵是變頻運(yùn)行，還是工頻運(yùn)行。多臺(tái)水泵的啟停也由PLC協(xié)調(diào)運(yùn)行，一臺(tái)供水達(dá)不到設(shè)定壓力時(shí)，可啟動(dòng)第二臺(tái)，當(dāng)兩臺(tái)水壓還不足時(shí)，啟動(dòng)第三臺(tái)。反之，供水壓力過大時(shí)，逐步減少工作泵或其中一臺(tái)變頻運(yùn)行。此外，作為反饋單元的還有流量計(jì)、蓄水池液位計(jì)算。以上各部分共同組成二級(jí)泵房閉環(huán)控制系統(tǒng)，代表目前水廠自動(dòng)化的最新水平。

3、PLC在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 3 臺(tái)水泵電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)均有 2 個(gè)接觸器控制，整個(gè)系統(tǒng)配備一個(gè)MM440 變頻器控制，一個(gè)接觸器通過變頻器與電源相聯(lián)，另一個(gè)接觸器直接連接工頻電源。變頻器一次只能接通一臺(tái)電機(jī)，通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電機(jī)的變頻控制。每臺(tái)電機(jī)均配熱繼電器做工頻運(yùn)行時(shí)的過載保護(hù)。觸摸屏主要作用是遠(yuǎn)程啟停系統(tǒng)和監(jiān)控管網(wǎng)水壓及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，在手動(dòng)控制時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率通過觸摸屏給定。

3.2 運(yùn)行方式設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的可靠性和可操作性，設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。

(1)手動(dòng)運(yùn)行

在手動(dòng)運(yùn)行方式下，可分別啟動(dòng)和停止 3 臺(tái)水泵，這種方式供設(shè)備檢修時(shí)使用，不作為供水時(shí)的運(yùn)行方式。為保護(hù)水泵電機(jī)，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，同時(shí)為減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的沖擊，手動(dòng)控制時(shí)電動(dòng)機(jī)也采用變頻器軟啟動(dòng)的方式。

(2)自動(dòng)運(yùn)行

切換到自動(dòng)運(yùn)行模式后，按下啟動(dòng)按鈕，首先接通變頻器和接觸器組，然后通過接觸器 KM1 觸點(diǎn)的動(dòng)作把 1 號(hào)水泵電機(jī)接入變頻輸出電路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行時(shí) 1 號(hào)水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)。壓力傳感器將檢測(cè)到的供水管網(wǎng)的水壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成單極性模擬量電信號(hào)(4～20mA)，并將此信號(hào)反饋給 PLC的模擬量輸入模塊。PLC處理器將測(cè)得的實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行比較，用這個(gè)偏差來調(diào)整水泵的運(yùn)行頻率和狀態(tài)，執(zhí)行PID調(diào)節(jié)控制。如夜間用水量較少時(shí)，1號(hào)水泵就在變頻器控制下變頻運(yùn)行。若是白天用水高峰時(shí)，變頻器先將1號(hào)水泵運(yùn)行頻率上升到工頻，然后切除對(duì) 1 號(hào)水泵的頻率控制，即斷開接觸器 KM1，接通接觸器 KM2，讓 1號(hào)水泵在工頻下運(yùn)行，同時(shí)變頻器啟動(dòng)對(duì) 2 號(hào)水泵的變頻控制，即接通接觸器 KM3。如果兩臺(tái)水泵供水仍然不能達(dá)到供水壓力，則將 2 號(hào)水泵升至工頻運(yùn)行后，變頻器再去變頻啟動(dòng) 3 號(hào)水泵。本系統(tǒng)根據(jù)某小區(qū)的用水量設(shè)計(jì)了三臺(tái)泵組，也可以根據(jù)實(shí)際情況增加水泵機(jī)組的水泵數(shù)量。在壓力允許的范圍內(nèi)，按照PID控制器的控制策略，控制變頻器的輸出頻率，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和運(yùn)行臺(tái)數(shù)達(dá)到調(diào)節(jié)水壓的目的。超出壓力允許范圍的時(shí)候，通過PLC程序控制調(diào)整水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，結(jié)合對(duì)水泵電機(jī)的變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)水壓保持水壓基本恒定。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括觸摸屏監(jiān)控界面設(shè)計(jì)和PLC控制程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)獲取，故障監(jiān)控等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制。觸摸屏通過PC/PPI通信電纜與現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備進(jìn)行通信，在上位機(jī)完成組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置后通過USB接口下載到觸摸屏。

根據(jù)控制要求，要求系統(tǒng)有兩種運(yùn)行方式：手動(dòng)和自動(dòng)，三臺(tái)水泵電機(jī)根據(jù)管網(wǎng)水壓情況在變頻和工頻運(yùn)行之間切換。主程序設(shè)計(jì)的思路如圖1所示：

系統(tǒng)梯形圖程序主要由系統(tǒng)初始化主程序、報(bào)警子程序、變頻運(yùn)行子程序/工頻運(yùn)行子程序、中斷程序組成。PID控制程序采用向?qū)Ь幊掏瓿伞?/p>

圖1 主程序設(shè)計(jì)流程圖

4、結(jié)論

技改后的水廠在近一年的實(shí)際運(yùn)行中，充分體現(xiàn)了控制的科學(xué)性和先進(jìn)性，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其技術(shù)特點(diǎn)為：

(1)合理的設(shè)計(jì)的保證變頻器和自耦降壓?jiǎn)?dòng)器互為備用。即在自耦降壓?jiǎn)?dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，變頻器馬上投入運(yùn)行，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，自耦降壓?jiǎn)?dòng)器即投入運(yùn)行。

(2)由變頻或自耦降壓?jiǎn)?dòng)器控制水泵從0速到額定轉(zhuǎn)速的平滑啟動(dòng)，避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，從而保證電網(wǎng)和設(shè)備不受損傷。

(3)結(jié)構(gòu)小巧、運(yùn)行速度高、價(jià)格低廉及具有多種集成功能的SIMATICS7-200 PLC加上完善的程序，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無人值守，系統(tǒng)能夠全自動(dòng)運(yùn)行。

總之，供水是國(guó)計(jì)民生的大事，水質(zhì)和水價(jià)又與人民生活息息相關(guān)，因此水廠的技術(shù)改造與自動(dòng)化一要可靠，二要節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)。自來水廠供水一定要保持水壓穩(wěn)定在某一設(shè)定范圍內(nèi)，比如0.2— 0.25MPa，但用水量是動(dòng)態(tài)的，白天用水量大，有時(shí)處于高峰；晚上用水量小，有時(shí)處于低谷。如何保證供水高峰和低谷時(shí)水壓恒定，根據(jù)水泵相似性原理(流量正比于轉(zhuǎn)速，揚(yáng)程正比于轉(zhuǎn)速的平方，功率正比于轉(zhuǎn)速的立方)，采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水，可編程序控制器非常適合在供水系統(tǒng)使用。從可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考慮后，選用以上兩項(xiàng)高新技術(shù)對(duì)某縣城水廠進(jìn)行現(xiàn)代化改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 吳上.模糊預(yù)測(cè)控制技術(shù)在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 莫慧芳.PLC在變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用[J].變頻器世界，2007，(05)：80-82.

[3] 陳懷忠.西門子PLC和WinCC SCADA在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].福建電腦，2006，(12)：186+133.