試論水廠PLC變頻恒壓供水技術(shù)的應(yīng)用

摘要：文章以實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，首先闡述了水廠變頻恒壓供水技術(shù)的基本原理及其操作方式，探討了變頻恒壓供水技術(shù)在水廠供水管網(wǎng)的應(yīng)用，并提出了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的水泵檢修及故障處理措施，希望能夠給予同行業(yè)人員有意義的借鑒。

關(guān)鍵詞：水廠；供水管網(wǎng)；PLC；變頻恒壓供水技術(shù)；水泵 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM921 文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0113-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.057

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷提高，工業(yè)計(jì)算機(jī)與電力電子控制技術(shù)發(fā)展迅速，并被普遍應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在城市供水系統(tǒng)中，以PLC為主控制器、變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)供水系統(tǒng)，以其穩(wěn)定、安全、節(jié)能、全自動(dòng)、高效的運(yùn)行方式，滿足了工業(yè)和居民的日常生產(chǎn)與生活用水需求。與傳統(tǒng)的供水形式相比，這種供水系統(tǒng)能夠在較小電流的情況下平穩(wěn)啟動(dòng)，避免電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊和對(duì)泵或閥門等的損耗，消除啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)產(chǎn)生水錘效應(yīng)，提高供水質(zhì)量并降低水廠的生產(chǎn)

成本。

1 變頻恒壓供水的基本原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要包括PLC控制器、變頻器、水泵、TC時(shí)間控制器、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、液位傳感器以及動(dòng)力控制線路等，這些控制與監(jiān)測(cè)構(gòu)件共同組成一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。

通過(guò)該系統(tǒng)的電位器可以設(shè)定供水壓力值，再通過(guò)該系統(tǒng)的壓力傳感器，將實(shí)測(cè)的管道壓力值反饋到PLC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將實(shí)測(cè)水壓反饋值與給定壓力值進(jìn)行PID和DTC運(yùn)算，得出壓力差值，最后由系統(tǒng)變頻器控制輸出不同頻率和電壓的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)并調(diào)節(jié)水泵工作，改變水泵輸出的水壓及流量，從而保證供水管道內(nèi)的水壓始終處于恒定狀態(tài)。

在水廠的日常生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)管理人員只需要對(duì)該系統(tǒng)控制柜面板上的按鈕和相應(yīng)指示燈進(jìn)行操作即可，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，并可保障供水管道內(nèi)的水壓穩(wěn)定。

2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的操作方式

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要包含兩種運(yùn)行形式，即手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行。手動(dòng)運(yùn)行主要是通過(guò)對(duì)具有相應(yīng)功能按鈕的操作，控制水泵的啟動(dòng)與停止?fàn)顟B(tài)。通常情況下，手動(dòng)操作只有在系統(tǒng)變頻器發(fā)生故障或需要對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行檢修時(shí)才會(huì)啟用，而在水廠的正常生產(chǎn)過(guò)程中，很少采用手動(dòng)操作的這種運(yùn)行方式；系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行就是通過(guò)主控制系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)壓力及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障管網(wǎng)正常供水的過(guò)程。在啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)后，水泵開(kāi)始工作，供水管網(wǎng)中的壓力逐漸上升，與此同時(shí)，系統(tǒng)中的壓力傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)水壓值，并傳送至PID調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)與設(shè)定的壓力參數(shù)的比較，得出差值并傳輸?shù)焦┧到y(tǒng)的變頻器，由變頻器調(diào)解水泵電機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)的供水恒壓。在供水系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，也會(huì)受到各種外部因素的影響，如：突然斷電時(shí)，供水系統(tǒng)將停止運(yùn)行，當(dāng)電源恢復(fù)后，由變頻器直接執(zhí)行供水水泵的啟動(dòng)、循環(huán)等全部的操作，供水系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

通常情況下，水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)至少有四個(gè)供水水泵，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，首先給1號(hào)水泵電機(jī)通電，并將電壓傳輸?shù)阶冾l器，由變頻器逐步控制提升1號(hào)電機(jī)的電源輸入頻率，直至達(dá)到設(shè)定的信號(hào)值，再以同樣的控制方法陸續(xù)啟動(dòng)后續(xù)的供水水泵。在系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行模式下，操作人員需要重點(diǎn)關(guān)注壓力參數(shù)的比較環(huán)節(jié)，可以適當(dāng)?shù)貙?duì)電壓參數(shù)進(jìn)行修正，從而保障供水管網(wǎng)系統(tǒng)的供水穩(wěn)定性，也可充分發(fā)揮出變頻恒壓供水系統(tǒng)的安全、節(jié)能、高效的強(qiáng)大功能。

3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制

3.1 水泵的節(jié)能與調(diào)速策略

水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)中的水泵，其揚(yáng)程（H）、轉(zhuǎn)速（n）、流量（Q）及軸功率（P）存在以下關(guān)系：Q=K1n、H=K2n2、P=K3HQ=K1K2K3n3=Kn3，其中K、K1、K2、K3為常數(shù)。根據(jù)公式，水泵的供水流量與其轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而對(duì)于水泵消耗的軸功率，則與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此，調(diào)解水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)壓的目的，對(duì)于系統(tǒng)節(jié)能也有著明顯的效果。

3.2 水泵調(diào)節(jié)的方法

3.2.1 液力耦合器。此方法主要是通過(guò)耦合器以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的變速控制，轉(zhuǎn)速比越小，其控制的程度就會(huì)越高，所以效率較低。

3.2.2 電磁離合器。這種調(diào)節(jié)方式的安全性較高，只需確保裝置始終處于絕緣狀態(tài)即可，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、操作容易、成本較低，且無(wú)需較高的容量。但對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)后，其反應(yīng)較慢并伴有較大的噪聲污染及一定的轉(zhuǎn)差損耗。

3.2.3 動(dòng)葉調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式需要在水泵內(nèi)安設(shè)動(dòng)葉結(jié)構(gòu)。相對(duì)于其他調(diào)節(jié)方式來(lái)說(shuō)，其調(diào)節(jié)穩(wěn)定性更佳，并可實(shí)現(xiàn)較大范圍的高效調(diào)節(jié)，但其結(jié)構(gòu)繁雜、成本較高、自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力較差，只適用在較大型的供

水站。

3.2.4 節(jié)流調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)節(jié)即在水泵的輸出口安設(shè)截流閥門，通過(guò)改變閥門的開(kāi)口大小，以實(shí)現(xiàn)控制水泵供水流量的目的。在調(diào)節(jié)水泵輸出流量的過(guò)程中，當(dāng)閥門開(kāi)口大小變化時(shí)，水流揚(yáng)程也將發(fā)生改變，從而確保供水系統(tǒng)恒壓控制的效率。這種調(diào)節(jié)方式的投資成本較低、安全可靠，但其能源損耗量也相對(duì)較高，常用在離心式水泵作業(yè)的供水企業(yè)。

3.3 變頻恒壓供水技術(shù)

3.3.1 自動(dòng)投切。變頻器的輸出頻率設(shè)有上限和下線，如果在變頻器的輸出頻率已經(jīng)達(dá)到其上、下極限，管網(wǎng)的水壓仍無(wú)法滿足水量要求時(shí)，PLC將開(kāi)始執(zhí)行投或切泵程序。當(dāng)管網(wǎng)的用水量較小時(shí)，系統(tǒng)變頻器只控制一臺(tái)水泵穩(wěn)定運(yùn)行；而當(dāng)用水量較大，變頻器的輸出頻率已升至上限，仍無(wú)法確保管網(wǎng)的水壓時(shí)，PLC將同時(shí)檢測(cè)變頻器的上限信號(hào)和控制器的壓力下限信號(hào)，并將原變頻情況下工作的水泵投入到工頻狀態(tài)，而系統(tǒng)備用泵則通過(guò)變頻器啟動(dòng)后運(yùn)行，從而確保管網(wǎng)水壓及供水量的穩(wěn)定。如果兩臺(tái)水泵仍無(wú)法滿足水壓要求時(shí)，可依次將變頻工作的水泵投入工頻狀態(tài)，僅留一臺(tái)備用泵變頻運(yùn)行；如果用水量降低，變頻器釋放最下線信號(hào)，此時(shí)PLC將控制工頻運(yùn)行的水泵停止工作，當(dāng)下線信號(hào)仍然存在時(shí)，PLC將再次停止工頻運(yùn)行水泵，直至最低下線信號(hào)消失，管網(wǎng)恒壓供水。

3.3.2 啟動(dòng)程序。水泵在啟動(dòng)前，系統(tǒng)PLC將先行對(duì)清水池水位及水泵真空度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)水位滿足啟泵要求，水泵真空度已經(jīng)形成，系統(tǒng)將開(kāi)啟水泵的啟動(dòng)程序。如果水泵的真空度不足，系統(tǒng)將先啟動(dòng)真空泵抽真空，在真空度及清水池水位滿足要求后啟動(dòng)水泵。抽真空時(shí)，如果抽真空失敗或系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中清水池過(guò)低，系統(tǒng)將停止水泵運(yùn)行并發(fā)出報(bào)警。

3.3.3 投泵程序。如果變頻器輸出頻率已達(dá)上限，但管網(wǎng)水壓仍低于設(shè)定壓力值時(shí)，PLC將在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)計(jì)時(shí)，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到了設(shè)定值，PLC放棄計(jì)時(shí)，否則開(kāi)始變頻調(diào)壓；如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，管網(wǎng)壓力仍無(wú)法到達(dá)設(shè)定值時(shí)，PLC將開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)投切程序，以增加管網(wǎng)的供水壓力和流量。

3.3.4 切泵程序。如果變頻器輸出頻率降至下限，但管網(wǎng)的壓力仍大于設(shè)定壓力值時(shí)，PLC將在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)計(jì)時(shí)，當(dāng)管網(wǎng)壓力滿足設(shè)定值要求，PLC放棄計(jì)時(shí)，并繼續(xù)變頻調(diào)壓；若仍然大于設(shè)定值，PLC將依次停止恒壓泵并提高變頻器頻率，直至管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值要求。

3.3.5 投切順序。變頻恒壓供水系統(tǒng)遵循“先投先切、先切先投”的原則，控制水泵切換。PLC將根據(jù)水泵的運(yùn)行狀況，自動(dòng)將其排列到待運(yùn)行或運(yùn)行隊(duì)列中，并自動(dòng)執(zhí)行投切。如果運(yùn)行中的水泵出現(xiàn)故障，PLC會(huì)將其從切換的隊(duì)列中退出，并告知維護(hù)人員進(jìn)行修理。

4 變頻恒壓供水系統(tǒng)檢修及故障處理

4.1 水泵的檢修

通常情況下，水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)包含若干個(gè)供水水泵（一般不少于4個(gè)），當(dāng)水泵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的、不間斷的運(yùn)行時(shí)，就會(huì)進(jìn)入疲勞狀態(tài)，供水效率降低，進(jìn)而產(chǎn)生故障。所以對(duì)水泵的檢修是系統(tǒng)故障排除的重點(diǎn)，也是水廠供水系統(tǒng)定期檢修的關(guān)鍵性工作。

在檢修水泵時(shí)，應(yīng)在不影響供水系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，停運(yùn)某一臺(tái)水泵并進(jìn)行檢修或故障排除，其他供水水泵需正常運(yùn)行。此外，在水泵的檢修階段，要使用備用水泵來(lái)替代已運(yùn)行一段時(shí)間的水泵，保證水泵的輪休和工作，以此避免并降低水泵故障的發(fā)生幾率，提升水泵的使用壽命和工作效率。

4.2 故障報(bào)警處理

在正常的運(yùn)行過(guò)程中，變頻器如果出現(xiàn)差壓、超壓缺相、故障等情況時(shí)，變頻恒壓供水系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)和報(bào)警聲，同時(shí)PLC會(huì)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況自動(dòng)檢測(cè)并分析故障的程度，如果PLC判定故障程度比較嚴(yán)重時(shí)，供水系統(tǒng)將立即跳轉(zhuǎn)到停機(jī)狀態(tài)。如：系統(tǒng)出現(xiàn)超壓、缺相、變頻器故障或液位下限等故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)并發(fā)出故障警示，供水管理人員接警后，通過(guò)系統(tǒng)提示，便可獲知故障點(diǎn)及其故障原因，以便及時(shí)展開(kāi)維修并除故障，對(duì)避免系統(tǒng)事故的進(jìn)一步擴(kuò)大而惡化供水質(zhì)量有著重要意義。

此外，如果是供水系統(tǒng)的變頻器發(fā)生故障，為了避免供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行遭受影響，可將系統(tǒng)由自動(dòng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換為手動(dòng)運(yùn)行方式，以此確保供水系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性，保證水廠的供水質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

水廠的供水系統(tǒng)在采用PLC變頻恒壓供水技術(shù)后，可顯著提升供水系統(tǒng)的安全性和可靠性，在技術(shù)上，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守、全自動(dòng)循環(huán)切換、變頻恒壓控制的運(yùn)行，消除了各臺(tái)水泵啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的大電流沖擊，確保了供水系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行效率及穩(wěn)定性能的優(yōu)化，降低了水泵的轉(zhuǎn)速損耗并延長(zhǎng)了水泵的使用壽命，為提升水廠的供水質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)收有著深遠(yuǎn)的意義。

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作者簡(jiǎn)介：梁慶燊（1989-），男，廣東順控發(fā)展股份有限公司助理工程師，研究方向：機(jī)械維護(hù)與優(yōu)化。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）