加壓泵站恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉振峰

摘 要：本文以西安某水廠二次加壓泵站恒壓供水PLC監(jiān)控系統(tǒng)為例。對加壓泵站恒壓供水PLC控制系統(tǒng)組成部分及系統(tǒng)功能與原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。

關(guān)鍵詞：PLC 恒壓供水 控制系統(tǒng) 設(shè)計

中圖分類號：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0022-01

傳統(tǒng)的自來水公司供水系統(tǒng)，常常要面對不同時段，用水量往往差別很大的情況，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，恒壓供水獲得了廣泛的應(yīng)用，本PLC控制系統(tǒng)采用法國schneider-electric公司高端過程自動化控制器系統(tǒng)，上位監(jiān)控計算機與本系統(tǒng)控制器之間采用以太網(wǎng)方式通信，并與低壓柜側(cè)安裝的6塊電能表之間采用串口方式通訊。控制系統(tǒng)主要控制對象為6臺水泵，其中4臺功率為220 kW，各采用一臺軟啟動器控制，2臺功率為200 kW，采用一臺變頻器進(jìn)行切換起停控制。每臺泵出口配置一臺電動切斷閥（開關(guān)量控制），供水總管配置有一臺壓力測量儀表和流量測量儀表（都為4～20 MA信號），為了保證可靠性，水池液位測量配置兩個獨立的傳感器，一為連續(xù)液位測量的模擬量信號，一為液位低報警的開關(guān)量信號。

1 系統(tǒng)主要組成部分

（1）加壓站控制系統(tǒng)采用一套獨立的控制系統(tǒng)，包括PLC和上位監(jiān)控計算機。

（2）控制站采用法國施耐德公司的QUANTUM系列，組態(tài)軟件選用GE公司的iFix。

（3）就地上位監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)和控制站CPU交換數(shù)據(jù)，中心調(diào)度室計算機通過以太網(wǎng)和控制站CPU交換數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)具有獨立于PLC的就地手動控制功能，一旦PLC 系統(tǒng)出現(xiàn)故障可切換到手動系統(tǒng)控制，保證加壓供水生產(chǎn)的正常運行。

2 系統(tǒng)功能與原理

（1）正常情況下，系統(tǒng)以一臺變頻泵加減一臺工頻泵的工作方式自動運行，實現(xiàn)恒壓供水。同時任何一臺泵都可以在備用的條件下，用“手動”按鈕選擇為手動，退出自動工作狀態(tài)單獨操作，但無論在何種情況下最多只允許一臺變頻泵加一臺工頻泵的工作方式，且不允許單獨啟動工頻泵。

（2）啟停泵時，都遵循先開泵后開閥，先關(guān)閥后關(guān)泵的原則，防止水泵啟停對設(shè)備造成的水錘損害，同時開泵與開閥，關(guān)閥與關(guān)泵的間隔時間程序設(shè)定為15 s。

（3）具有警戒水位自動停泵功能，同時在自動狀態(tài)運行時。其中1、2、3號泵對應(yīng)1號清水池，4、5、6號泵對應(yīng)于2號清水池。警戒水位在管理員界面下可調(diào)、可屏蔽（需要屏蔽時將警戒液位設(shè)為0 m）。

（4）具有出水總管達(dá)到高壓力或者低壓力時，系統(tǒng)報警功能（延時10 s）。高壓力即實際值比設(shè)定值大1 kg，低壓力即實際值比設(shè)定值小1 kg。

系統(tǒng)在自動狀態(tài)下運行時，首先一臺泵變頻運行，當(dāng)加泵條件滿足后，啟動一臺工頻泵，當(dāng)減泵條件滿足后，停止該工頻泵。其中3、4號變頻運行，一用一備，同時只允許其中一臺工作，2、5號工頻運行，一用一備，同時只允許其中一臺工作，1、6號工頻運行，作為日后拓展。

（5）自動狀態(tài)下加減泵條件：在管理員界面下可設(shè)置給定壓力，壓差值ΔP，延時時間（程序中設(shè)定為延遲30 s）。當(dāng)變頻器頻率達(dá)到頻率上限，而實際壓力<給定壓力-ΔP，延時一段時間后上述情形仍存在，則滿足加泵條件。當(dāng)變頻器頻率達(dá)到頻率下限，而實際壓力>給定壓力+ΔP，延時一段時間后上述情形仍存在，則滿足減泵條件。在自動狀態(tài)下，啟動某一臺泵的前提條件是該泵對應(yīng)的閥門處于遠(yuǎn)程自動狀態(tài)。否則不能控制。

（6）停泵時，若對應(yīng)閥門的“關(guān)到位”信號不能及時收到，延時一定時間后強制關(guān)泵。先前的故障信號消除后，自動轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)。定時時間到自動切換功能。當(dāng)3號4號泵都在自動狀態(tài)下，開始計時，當(dāng)計時時間到后，優(yōu)先的泵切換為備用，備用的泵切換為優(yōu)先。系統(tǒng)默認(rèn)自動切換時間為48 h。

3 供水系統(tǒng)中恒壓實現(xiàn)方式

對于供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要是為了滿足用戶對于水壓的需求。因此，供水系統(tǒng)基本的控制對象是壓力。壓力的大小又由揚程來控制，而揚程卻不能具體的測量及控制。考慮在動態(tài)的情況下，揚程大小能夠由供水水泵轉(zhuǎn)速的大小反映出來，而揚程同供水能力（由流量GQ表示）以及用水需求（由用水流量UQ表示）的平衡情況相關(guān)。

如果供水能力GQ>用水需求UQ，則壓力P升高，此時需要降低轉(zhuǎn)速；如果供水能力GQ<用水需求UQ，則壓力P降低，此時需要提高轉(zhuǎn)速；如果供水能力GQ=用水需求UQ，則壓力P保持不變，水泵轉(zhuǎn)速不變。

由上述可得流體壓力P的變化反映出供水能力同用水需求UQ間的矛盾。因此，選擇轉(zhuǎn)速控制來對管道壓力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。這說明，通過恒壓供水就能夠確保供水能力以及用水流量間的平衡，能夠很好地滿足用戶對于用水流量的需要。

當(dāng)用戶需求出現(xiàn)變化時，為了適應(yīng)壓力的變化，就要在壓力恒定的前提下對供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。常見的調(diào)節(jié)方法有閥門控制法及轉(zhuǎn)速控制法兩種。

（1）閥門控制法。

保持轉(zhuǎn)速恒定，通過對閥門的開度大小進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制流量。其本質(zhì)是水泵自身的供水能力保持不變，而通過控制水路當(dāng)中的阻力大小對流量大小進(jìn)行強制改變，以滿足用戶對于流量的需求。此時的管阻特性隨著隨閥門開度的變化而變化，但揚程特性保持不變。

（2）轉(zhuǎn)速控制法。

閥門開度恒定，通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。其本質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來滿足用戶對于流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速變化時，揚程特性將隨之出現(xiàn)改變，而管阻特性保持不變。

4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案

變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案包括1臺變頻器控制1臺水泵的簡單控制方案，也有1臺變頻器控制幾臺水泵的方案，我們下面簡單介紹單臺變頻器控制單臺水泵：

單臺變頻器控制單臺水泵的控制方案在國內(nèi)一般指一臺變頻器控制一臺水泵。因為全部變頻系統(tǒng)當(dāng)中，變頻器、控制器、電機都沒有備份設(shè)備，無法在出現(xiàn)問題時進(jìn)行切換，所以現(xiàn)今多應(yīng)用于用水量小，且對供水可靠性的要求不高的場合。

5 結(jié)語

本文所介紹的增壓泵站恒壓供水系統(tǒng)已成功應(yīng)用在西安某水廠，從一年多的運行情況來看，符合最初的設(shè)計要求，此系統(tǒng)具有界面友好，操作簡單，性能穩(wěn)定，實時數(shù)據(jù)采集與分析等特點，相比較改造之前的系統(tǒng)，大大減少了人為操作設(shè)備的時間，供水效果也大大改善，受到了甲方人員的一致好評。