PLC變頻恒壓供水技術(shù)在水廠的應(yīng)用

葉德武

(惠州市惠陽區(qū)自來水發(fā)展總公司，廣東 惠州 516000)

PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。某水廠工程規(guī)模為24萬噸/日，目前為12萬噸/日。供水泵房安裝臥式離心泵6臺(tái)，其中4臺(tái)250kW、380V水泵，2臺(tái)315kW、380V水泵，每臺(tái)泵出口裝有一個(gè)電動(dòng)蝶閥。出廠主水管裝有壓力傳感器。供水管網(wǎng)安裝壓力測(cè)量裝置，通過無線數(shù)傳設(shè)備傳至中控室。

1 變頻恒壓供水技術(shù)

變頻恒壓供水系統(tǒng)；它主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動(dòng)力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。目前恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。

在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程。早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。雖然單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡易可靠，但單泵電動(dòng)機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵型產(chǎn)品的投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率也高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。

2 變頻恒壓供水控制方式

2.1 帶PID回路調(diào)節(jié)器和/或PLC的控制方式

在該方式中，變頻器的作用是為電動(dòng)機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓可控。傳感器是檢測(cè)管網(wǎng)水壓；壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值；壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)輸入PLC或PID回路調(diào)節(jié)器經(jīng)計(jì)算后，輸給變頻器一個(gè)頻率控制信號(hào)。

由于變頻器的頻率控制信號(hào)是由PLC或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)PLC來講，就要有模擬量輸入/輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的PLC價(jià)格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的PLC，則要在其數(shù)字量輸出口端另接一塊PWM調(diào)制板，將PLC輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣，PLC的成本沒有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入/輸出的PLC和一個(gè)PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的PLC差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 新型變頻調(diào)速供水設(shè)備

針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新產(chǎn)品，如華為的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切換卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB 公司的 ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易PLC的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)PLC存儲(chǔ)容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失真，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略高一點(diǎn)，但功能卻強(qiáng)很多，所以采用帶有內(nèi)置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設(shè)備，在滿足工藝要求的情況下應(yīng)優(yōu)先采用。

2.3 供水專用變頻器

供水專用變頻器是將普通變頻器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一體化的系統(tǒng)，內(nèi)置供水專用PID調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號(hào)直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口，而壓力設(shè)定既可使用變頻器的鍵盤設(shè)定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設(shè)定多段壓力運(yùn)行，以適應(yīng)供水壓力的需要。也可設(shè)定指定日供水壓力。面板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)。

系統(tǒng)供水有兩種基本運(yùn)行方式：變頻泵固定方式和變頻泵循環(huán)方式，固定方式可選擇"先開先關(guān)"和"先開后關(guān)"兩種水泵關(guān)閉順序，循環(huán)方式以"先開先關(guān)"的順序關(guān)泵。

3 水廠變頻恒壓供水控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由ABB公司的PLC控制器、變頻器，施耐德公司的軟起動(dòng)器、電機(jī)保護(hù)器、

圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

水廠二級(jí)泵系統(tǒng)有250kW水泵電機(jī)4臺(tái)，315kW水泵電機(jī)2臺(tái)，系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵以循環(huán)方式工作，6臺(tái)電機(jī)均可設(shè)置在變頻方式下工作。中心控制器為PLC，以設(shè)定壓力和反饋壓力為控制目標(biāo)，以PID為控制算法組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集水網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)、電機(jī)溫度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行、可靠保護(hù)、確保供水、節(jié)約電耗。以清水池水位、出口總管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，以供水時(shí)間、季節(jié)為參考值，合理組合開泵臺(tái)數(shù)，減少開停泵次數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定水壓、節(jié)電供水之目的。

系統(tǒng)為每臺(tái)電機(jī)配備電機(jī)保護(hù)器，是因?yàn)殡姍C(jī)功率較大，在過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機(jī)空轉(zhuǎn)等情況下為確保電機(jī)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到延長電機(jī)使用壽命的目的。

系統(tǒng)配備水位顯示儀表，可進(jìn)行高低位報(bào)警，同時(shí)通過PLC可確保取水在合理水位的水質(zhì)監(jiān)控，同時(shí)也保護(hù)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況。配備流量計(jì)，既能顯示一段時(shí)間的累積流量，又能顯示瞬時(shí)流量，可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計(jì)和每臺(tái)泵的出水流量監(jiān)控。

3.2 系統(tǒng)功能

水廠變頻恒壓供水控制系統(tǒng)是通過主水管網(wǎng)壓力傳感器測(cè)到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)PLC的PID運(yùn)算后，將控制信號(hào)送至變頻器，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的起停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門?？刂葡到y(tǒng)參見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

供水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)全自動(dòng)平穩(wěn)切換，恒壓控制

①自動(dòng)投切泵

泵的自動(dòng)投切只有在PLC全自動(dòng)控制方式下才能實(shí)現(xiàn)。變頻器輸出頻率上、下限設(shè)為50Hz、30Hz。當(dāng)變頻器頻率升至50Hz或降至30Hz，管網(wǎng)壓力仍不能滿足要求時(shí)，PLC將執(zhí)行投/切泵程序。

當(dāng)用水量較小時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)用水量大到變頻器頻率升至50Hz也不能保證管網(wǎng)的水壓時(shí)，控制器的壓力下限信號(hào)與變頻器的上限信號(hào)同時(shí)被PLC檢測(cè)到，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時(shí)將一臺(tái)備用的泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能達(dá)到管網(wǎng)的壓力要求時(shí)，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，而將另一臺(tái)備用泵投入變頻運(yùn)行。

當(dāng)用水量減小時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效（即輸出頻率為30Hz），這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述兩個(gè)信號(hào)仍存在時(shí)，PLC再停掉一臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到最后一臺(tái)泵用主頻器恒壓供水。另外，每臺(tái)泵的電機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間可顯示。

②起動(dòng)程序

先檢測(cè)清水池的水位和水泵真空度，如果水位達(dá)到起泵水位，水泵真空度已形成，則起動(dòng)起泵程序，起動(dòng)水泵。若水泵真空度不足，則先起動(dòng)真空泵抽真空，如果真空度形成，同時(shí)清水池的水位也達(dá)到起泵水位，則可以開閥，起動(dòng)水泵。如果抽真空失敗或清水池的水位低于低水位，則關(guān)閉真空泵（只有抽真空失敗時(shí)），停止起泵并報(bào)警。

③投泵程序

當(dāng)變頻器升至50Hz，而管網(wǎng)壓力仍低于壓力設(shè)定值時(shí)，PLC將開始計(jì)時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力值，則PLC放棄計(jì)時(shí)，繼續(xù)變頻調(diào)壓；若管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定壓力值，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時(shí)將一臺(tái)備用的泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。

④切泵程序

當(dāng)變頻器降至30Hz，而管網(wǎng)壓力仍高于壓力設(shè)定值時(shí)，PLC將開始計(jì)時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，若管網(wǎng)壓力降低至設(shè)定壓力值，則PLC放棄計(jì)時(shí)，繼續(xù)變頻調(diào)壓；若管網(wǎng)壓力仍高于設(shè)定壓力值，PLC將切除恒壓泵，同時(shí)變頻器頻率將升高，以滿足管網(wǎng)壓力要求；若管網(wǎng)壓力仍高于壓力設(shè)定值，PLC將會(huì)依次切除恒壓泵，直至管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值。

⑤投切順序

泵的投切將遵循"先投先切、先切先投"的切換控制方式。即水泵在切換時(shí)，PLC根據(jù)其運(yùn)行狀況，將其自動(dòng)排列至運(yùn)行隊(duì)列或待運(yùn)行隊(duì)列中，在下次切換時(shí)，PLC將根據(jù)其排列順序，自動(dòng)投切水泵。當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，PLC自動(dòng)將其從切換隊(duì)列中退出，以便維修人員對(duì)其進(jìn)行維修，而系統(tǒng)仍在全自動(dòng)控制方式下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓變流量供水。

⑥停泵程序

停泵時(shí)，先將出水閥門關(guān)閉，然后停泵。

(2)半自動(dòng)運(yùn)行

當(dāng)PLC出現(xiàn)問題時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)失靈，這時(shí)候系統(tǒng)工作處于半自動(dòng)狀態(tài)，即一臺(tái)泵具有變頻自動(dòng)恒壓控制功能，當(dāng)用水量不夠時(shí)，可手動(dòng)投入另外一臺(tái)或幾臺(tái)工頻泵運(yùn)行。

(3)手動(dòng)當(dāng)壓力傳感器故障或變頻器故障時(shí)，為確保用水，6臺(tái)泵可分別以手動(dòng)工頻方式運(yùn)行。

結(jié)語

綜上所述，采用PLC和變頻器結(jié)合，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人值守的全自動(dòng)循環(huán)切換水泵、變頻運(yùn)行，保證了各臺(tái)水泵運(yùn)行效率的最優(yōu)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)平穩(wěn)，消除了啟動(dòng)大電流沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。

[1]張新娟，梁鎮(zhèn)杰.基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)[J].職業(yè)，2010(3).

[2]盧濤.恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)應(yīng)用概述 [J].邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(04).