自來水廠PLC 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

孫智宗

（遵義市匯泓供水有限公司，遵義 563000）

相較于傳統(tǒng)的高位水箱、水塔及壓力罐供水模式，利用變頻器、傳感器、PLC 等器件的有機(jī)組合構(gòu)成的PLC 變頻恒壓供水系統(tǒng)，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性，極大地降低了設(shè)備投資成本，并且當(dāng)用戶的用水需求發(fā)生變化時(shí)，供水管網(wǎng)壓力仍然保持在一個(gè)恒定值。

1 自來水廠PLC 變頻恒壓供水系統(tǒng)的總體架構(gòu)

自來水廠PLC 變頻恒壓供水系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，其主要是利用PLC 控制一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，其余電機(jī)采用軟啟動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)變頻電機(jī)調(diào)速不能滿足供水水壓時(shí)，啟動(dòng)軟啟動(dòng)電機(jī)，根據(jù)輸出水壓自動(dòng)調(diào)整變頻電機(jī)速度。采用循環(huán)使用的運(yùn)行方式來實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的恒定和水泵電機(jī)的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行的切換。

圖1 自來水廠PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)功能和供水環(huán)境的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了如下三層控制結(jié)構(gòu)：（1）變頻調(diào)速器。水泵的轉(zhuǎn)速由變頻器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，水泵的頻率由變頻器內(nèi)置的PID 調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)模糊調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)用戶用水需求量發(fā)生變化時(shí)，出水量能夠相應(yīng)地快速變化，保持供水管網(wǎng)壓力保持在一個(gè)恒定值；（2）可編程邏輯控制器PLC。系統(tǒng)自動(dòng)控制程序被安裝在PLC 中，開關(guān)、按鈕、模擬量信號(hào)和其他開關(guān)量信號(hào)輸入被其采集，變頻器、軟啟動(dòng)器等電氣元件能夠被其發(fā)出的開關(guān)信號(hào)所控制，從而實(shí)現(xiàn)水泵的投切及工頻、變頻的轉(zhuǎn)換。此外，當(dāng)供水系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)異常情況時(shí)，PLC 可以通過采集到的信號(hào)來對(duì)異常狀況進(jìn)行快速分析判斷，并根據(jù)分析判斷結(jié)果來向工作人員發(fā)出警報(bào)；（3）上位機(jī)人機(jī)界面。系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與修改、遠(yuǎn)程控制指令的下發(fā)等操作由上位機(jī)人機(jī)界面負(fù)責(zé)實(shí)施。

2 自來水廠PLC 變頻恒壓供水系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

第一，手動(dòng)控制和全自動(dòng)控制兩種模式。在系統(tǒng)調(diào)試和水泵檢修時(shí)通常采用手動(dòng)控制模式，通過手動(dòng)啟停控制面板上的啟動(dòng)按鈕來實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)水泵的工頻軟啟動(dòng)和停止操作，從而對(duì)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常進(jìn)行分析判斷；全自動(dòng)控制模式則用于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過預(yù)先設(shè)置好的運(yùn)行參數(shù)和手動(dòng)按下控制面板上的啟動(dòng)按鈕，就能夠根據(jù)用戶用水量需求的變化和預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)來對(duì)水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)和運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而確保系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到安全可靠運(yùn)行和節(jié)能的效果。

第二，管網(wǎng)供水壓力的閉環(huán)控制。管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)通過壓力變送器得以實(shí)時(shí)采集，PLC 的模擬量采集模塊接收管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)后，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換來轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并傳輸給PLC 的內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器，管網(wǎng)供水壓力的閉環(huán)控制就可以通過PID 調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)。

第三，設(shè)置管網(wǎng)壓力參數(shù)。供水壓力在不同供水環(huán)境下是存在顯著差異的，通過壓力范圍設(shè)定，系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境變化或用戶需求來自行設(shè)置管網(wǎng)壓力參數(shù)。

第四，變頻器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。變頻器的各類運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（如輸入電壓、輸出電壓、運(yùn)行頻率、運(yùn)行功率、輸入電流、輸出電流等）處于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控下。

第五，設(shè)置重要參數(shù)的報(bào)警值。系統(tǒng)運(yùn)行過程中難免會(huì)發(fā)生一些突發(fā)事件或故障，此時(shí)就需要通過設(shè)置重要參數(shù)的報(bào)警值來提醒工作人員及時(shí)進(jìn)行檢查維修，避免故障的進(jìn)一步蔓延（如軟啟動(dòng)器故障報(bào)警、管網(wǎng)超壓報(bào)警及電機(jī)過流報(bào)警等）。以管網(wǎng)超壓報(bào)警為例，當(dāng)供水管網(wǎng)的壓力值超過設(shè)定極限值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的信號(hào)來進(jìn)行分析判斷并采取必要的處理結(jié)果（發(fā)出聲光警報(bào)信號(hào)或自動(dòng)停機(jī)），防止事故的發(fā)生。

第六，遠(yuǎn)程通訊功能。上位機(jī)人接界面可以和通訊柜中的PLC 進(jìn)行通訊，各水泵的運(yùn)行狀態(tài)及其他設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)被遠(yuǎn)程傳輸給上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)下發(fā)的控制指令也會(huì)遠(yuǎn)程下達(dá)給各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

第七，人機(jī)交流。通過良好的人接界面，上位機(jī)與工作人員間可以進(jìn)行直觀且簡(jiǎn)單的交流（如工作人員在上位機(jī)上設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、查詢某臺(tái)水泵的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息、遠(yuǎn)程遙控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停等，生成和打印供水報(bào)表等）。

第八，擴(kuò)展和升級(jí)。系統(tǒng)在硬件選型時(shí)預(yù)留出一部分I/O 點(diǎn)數(shù)和繼電器數(shù)量，方便日后系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)升級(jí)用。

3 結(jié)束語

為改變傳統(tǒng)的人工手動(dòng)控制局面，自來水廠必須將先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及控制手段等融合到變頻恒壓供水系統(tǒng)中，通過用戶的用水需求來對(duì)供水量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而解決人工手動(dòng)控制對(duì)供水管網(wǎng)壓力變化響應(yīng)不及時(shí)、設(shè)備運(yùn)行安全無法得到有效保障、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，在提高供水系統(tǒng)自動(dòng)控制水平和控制質(zhì)量的基礎(chǔ)上，切實(shí)降低自來水廠的生產(chǎn)運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。