PLC變頻技術(shù)在加壓泵站供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

鮑海琛

(寧夏寧東水務(wù)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000)

傳統(tǒng)加壓泵站供水控制系統(tǒng)由于存在控制線路復(fù)雜、功耗高、靈活性差、維護(hù)工作量大以及遠(yuǎn)程控制能力弱等問題，導(dǎo)致供水系統(tǒng)自動化與調(diào)度管理水平不高。隨著可編程控制與變頻技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，建立基于PLC變頻技術(shù)的加壓泵站自動控制系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。PLC變頻技術(shù)具有通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴(kuò)展方便、性價比高、故障率低、調(diào)速精度高以及保護(hù)功能多等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在供水行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了供水的實(shí)時監(jiān)測和控制，從而保障了供水過程的連續(xù)性，節(jié)省了大量人力、物力，實(shí)現(xiàn)了少人值班，無人值守的目標(biāo)。

1 PLC變頻技術(shù)

PLC是一種可編程的存儲器，它通過電源、中央處理單元、存儲單元、輸入輸出單元等構(gòu)成一套完整的控制系統(tǒng)。變頻器是利用半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻電源變換為各種頻率的交流電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速運(yùn)行的設(shè)備[1]。PLC變頻技術(shù)是PLC接收變頻器發(fā)出指令后分析指令，并將指令編程，再將編程后指令發(fā)送至變頻器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體運(yùn)行和自動控制。PLC控制變頻器的方式主要有三種形式：

(1)PLC的模擬量控制。在PLC加數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換模塊，通過輸出A/D模塊的輸出端子與變頻器的模擬量控制端子連接，由PLC內(nèi)部程序進(jìn)行不同狀態(tài)的組合控制，將PLC數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，輸入到變頻器的模擬量控制端子，對變頻器進(jìn)行頻率調(diào)速控制。這種控制方式接線簡單，可以實(shí)現(xiàn)無級變速，但存在調(diào)速精度低，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊較貴缺點(diǎn)[2]。

(2)PLC的開關(guān)量控制。將PLC的輸出端子與變頻器的多功能端子連接，在變頻器中多功能端子設(shè)定參數(shù)，通過PLC輸出端子的閉合和斷開的組合，將頻率指令和變頻器輸入端子功能選擇進(jìn)行有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)對單臺或多臺電機(jī)的變頻調(diào)速。這種控制方式響應(yīng)速度快，抗外界干擾能力強(qiáng)，但不能無級調(diào)速[3]。

(3)PLC的通訊方式控制。采用Modbus通信協(xié)議的RS-485或RS-232接口直接和PLC通信端口連接，利用通信網(wǎng)絡(luò)將PLC與變頻器連接，通過PLC的程序控制，實(shí)現(xiàn)變頻器參數(shù)的讀取、寫入、各種運(yùn)行的監(jiān)視和控制。這種控制方式可以通過串行接口設(shè)置和修改變頻器的參數(shù)，具有無級變速，速度變換平滑，速度控制精確，適應(yīng)能力好等優(yōu)點(diǎn)。但通訊需要解決數(shù)據(jù)編碼、求取校驗(yàn)和、成幀、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)、超時處理和出錯重發(fā)等技術(shù)問題[4]。

2 PLC變頻技術(shù)在加壓泵站供水系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 操作性強(qiáng)及自動化水平高

PLC變頻技術(shù)在加壓泵站供水系統(tǒng)應(yīng)用中，PLC通過編寫邏輯關(guān)系以及設(shè)定相關(guān)參數(shù)對變頻器進(jìn)行控制，可以根據(jù)供水系統(tǒng)壓力的實(shí)際需求控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足供水系統(tǒng)快速啟動、恒壓供水的要求。PLC變頻器功能強(qiáng)，操作靈活，實(shí)用性好，提高了供水系統(tǒng)的自動化水平。

2.2 安全性及可靠性強(qiáng)

由于PLC與變頻器內(nèi)部采用了數(shù)字控制技術(shù)和模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此安全性較高。PLC變頻器具有故障分析功能，能夠清晰地顯示故障出現(xiàn)的位置，可幫助工作人員縮短故障修復(fù)的時間，進(jìn)一步提高了供水系統(tǒng)的可靠性。通過PLC控制變頻與工頻切換，使供水系統(tǒng)運(yùn)行在合理工況狀態(tài)，保證了按需供水[5]。

2.3 具有較高性價比

應(yīng)用PLC變頻技術(shù)可根據(jù)供水系統(tǒng)壓力值自動控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠降低電機(jī)電能損耗，并且減小啟動時對電網(wǎng)沖擊。PLC體積較小、集成程度高，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)簡單方便，可實(shí)現(xiàn)供水的實(shí)時監(jiān)控和控制，保障了供水的連續(xù)性，降低了工作強(qiáng)度和維護(hù)成本。

3 PLC變頻技術(shù)在加壓泵站供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 PLC變頻加壓泵站供水系統(tǒng)設(shè)計

PLC變頻加壓泵站供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)、流量壓力傳感器、液位計、上位機(jī)等構(gòu)成。采用變頻器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)管網(wǎng)壓力、流量、水泵轉(zhuǎn)速等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采樣，經(jīng)與PLC程序中設(shè)定的水壓值進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)PID運(yùn)算得出頻率調(diào)節(jié)信號來控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓變量的供水。

圖1 加壓泵站系統(tǒng)控制框圖

3.2 PLC變頻加壓泵站供水系統(tǒng)的主要功能

(1)具有水泵自動變頻啟動功能。根據(jù)供水系統(tǒng)用水量、壓力要求自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速及工作水泵臺數(shù)。

(2)具有自動控制供水系統(tǒng)運(yùn)行功能。自動控制狀態(tài)時，水泵自動輪換變頻或工頻運(yùn)行；工作泵出現(xiàn)故障時備用泵自動投入運(yùn)行，可轉(zhuǎn)換自動或人工手動開、停機(jī)。

(3)具有輸入電源缺相、不平恒、過壓、過流、過載、短路等安全保護(hù)功能，以及前池缺水保護(hù)停機(jī)、水位恢復(fù)開機(jī)功能。

(4)具有變頻器、電機(jī)工況發(fā)生故障指示及防誤操作等功能。

(5)具有系統(tǒng)壓力流量、電機(jī)電流、水泵轉(zhuǎn)速等運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、自動采集功能，以及后臺數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、存儲設(shè)定、運(yùn)行分析、報表查詢、能耗匯總、打印輸出等功能。

3.3 PLC變頻技術(shù)在加壓泵站供水系統(tǒng)的應(yīng)用

3.3.1 供水系統(tǒng)開關(guān)量控制

PLC開關(guān)量控制在供水系統(tǒng)中作為一項(xiàng)十分重要的環(huán)節(jié)，包括閥門的開關(guān)、水泵的啟停等設(shè)備控制輸出和狀態(tài)反饋，在機(jī)組做好開機(jī)準(zhǔn)備工作后，上位機(jī)給PLC發(fā)送一鍵開機(jī)命令，PLC通過其內(nèi)部開關(guān)量的邏輯和順序控制輸出“開進(jìn)水閥-啟動水泵電機(jī)-開出水閥”的開關(guān)量信號至設(shè)備控制回路實(shí)現(xiàn)對水泵的啟停操作以及信號反饋。這種控制模式簡化了工作人員在加壓泵站運(yùn)行時的操作程序，提高了設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量和效率[6]。

3.3.2 供水系統(tǒng)壓力控制

供水系統(tǒng)中用戶的用水量是不斷變化的，因此供水不足或供水過剩的現(xiàn)象時有發(fā)生。PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)是以用戶或者管網(wǎng)的壓力作為參考值，采用壓力傳感器來檢測水壓，然后將檢測到的信號送到變頻器PID回路，經(jīng)過變頻器PID回路處理之后，根據(jù)輸出頻率信號來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，達(dá)到管網(wǎng)水壓的自動調(diào)節(jié)作用，讓供水系統(tǒng)的輸出水壓能夠跟設(shè)定的壓力值保持一致。當(dāng)管網(wǎng)用水量增大到變頻器全速運(yùn)行并且不能達(dá)到管網(wǎng)的正常壓力時，壓力傳感器的信號與變頻器的信號一起被PLC檢測到，PLC會將在原變頻狀態(tài)下的水泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的持續(xù)性，同時將一臺備用的泵以變頻狀態(tài)啟動后投入工作，以加大管網(wǎng)的供水量，確保壓力正常。當(dāng)用水量減少時，首要表現(xiàn)為變頻運(yùn)行的水泵的頻率將自動降低，這時管道壓力值出現(xiàn)過高，PLC將工頻作業(yè)的水泵停運(yùn)，以削減供水量，由一臺以變頻運(yùn)行的水泵恒壓供水，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能供水[7]。

3.3.3 供水系統(tǒng)水量控制

水量控制是指將水量的變化與閥門的調(diào)節(jié)或者水泵的啟停、增減互相配合的一種運(yùn)行上的控制方式，其主要通過現(xiàn)場傳感器設(shè)備將數(shù)據(jù)采集到PLC，并經(jīng)PID運(yùn)算后對供水系統(tǒng)中可設(shè)備實(shí)行相關(guān)控制操作。如加壓泵站里水泵在運(yùn)行過程中需要抽取前池的水量，導(dǎo)致前池液位降低，為保證不中斷用戶供水，需要開啟進(jìn)水閥向前池補(bǔ)水，此時，前池液位傳感器會將液位的模擬信號輸入給PLC設(shè)備，通過PLC程序邏輯運(yùn)算后，將計算得出的數(shù)據(jù)通過模擬輸出信號至進(jìn)水調(diào)節(jié)閥的控制回路，并使進(jìn)水閥門自動調(diào)節(jié)開度向前池補(bǔ)水，若前池液位高度達(dá)到PLC內(nèi)設(shè)定最上限時，PLC會下發(fā)關(guān)閉進(jìn)水閥命令，停止向前池進(jìn)水，防止前池溢流，保障泵站各設(shè)備安全運(yùn)行。

3.3.4 供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

為實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的自動化控制，以及運(yùn)行人員對設(shè)備操作和運(yùn)行工況的實(shí)時監(jiān)視，確保設(shè)備的完好率和可用性，在水泵運(yùn)行過程中，存在大量的物理量數(shù)據(jù)需要采集上傳。如水泵進(jìn)出口壓力、軸承溫度、水泵轉(zhuǎn)速、供水流量、蓄水池液位等，它們都是連續(xù)變化的模擬量，為了采用PLC測量或控制連續(xù)變化的模擬量，就需要使用傳感器或變送器等，變送器可將傳感器檢測到的信號變化量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，并將模擬信號接到PLC模擬輸入模塊上。在此基礎(chǔ)上，PLC模擬量模塊與上位計算機(jī)或觸摸屏利用以太網(wǎng)相連接，運(yùn)行人員既可以觀察這些數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，又能及時進(jìn)行統(tǒng)計分析[8]。

4 結(jié) 語

采用PLC變頻技術(shù)的加壓泵站供水系統(tǒng)具有功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高的特點(diǎn)，節(jié)能效果顯著，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度，優(yōu)化了調(diào)度操作效率，擴(kuò)大企業(yè)經(jīng)營效益，具有很高的應(yīng)用推廣價值。