利比亞泵站的控制系統設計

摘 要:本論文介紹了利比亞項目給水泵站的控制系統設計，根據國外監理要求，采用了先進的設計理念，如PROFIBUS總線控制技術和可視化人機界面，并且根據當地要求設計了國內沒有先例的水塔+恒壓雙工況全自動控制系統。

關鍵詞:控制PLC總線模式

中圖分類號:TV22文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0132-01

Abstract:This paper introduce the control system design of Water Supply Pumping Station in Libya.This design adopts the advanced technology such as PROFIBUS industrial Fieldbus and Human Machine Interface (HMI) technology in light of the requirement of foreign CM/CS，and meanwhile we create a new automatic control system for dual condition EWT + Pressure Control system according to local condition.

Key words:Control;PLC;Profibus;Mode.

在利比亞項目中的泵站設計中，國外監理對控制系統有很高的要求，于是我們采用了先進的PROFIBUS總線技術、人機界面HIM技術和PLC控制技術，尤其是根據當地的實際情況，國外監理還提出了一些特殊的要求，對此國內外均沒有現成的模式可以參考。為達到這些要求，我們完成了具有創新性的控制系統設計。

1 項目概述

該泵站主要工藝設備有:給水泵組(二工一備)、全自動加氯機、地面水池出口電動蝶閥、泵房排污泵等。

主要電氣設備有:備用柴油發電機組、低壓配電柜、電動機控制中心(MCC)、PLC控制柜等。

主要檢測設備有:各工藝過程的超聲波液位變送器等、泵站進水口及出水口流量變送器、水泵組出口壓力變送器等。

2 控制系統構成

控制系統的核心采用德國西門子S7-300PLC以及PROFIBUS工業控制總線。

本文著重介紹具有設計創新的給水泵組控制模式。

3 給水泵組的控制模式

3.1 高位水箱(水塔)控制模式

這是中東和北非阿拉伯世界最普遍的供水方式。通過水塔的水位控制水泵的運行，從而保持水塔一定的水位，依靠重力水壓來進行城市管網供水。

3.2 變頻加壓控制模式

在許多國家包括中國的城市供水體系中，一般采用變頻加壓的方式，不采用水塔，而是通過管道上的壓力傳感器和壓力變送器控制變頻器的頻率，從而改變電機轉速，達到控制流量和給水壓力的目的。

3.3 當地監理要求的控制模式

當地監理要求利比亞由中交集團新建的給水泵站，除了必須采用水塔之外，還要考慮水塔長期停用時，給水泵站仍能正常工作，滿足城市供水要求。

水塔短時間(比如幾個小時)的檢修，允許采用給水泵組手動直供，對整個水系統運行的影響不大。但是如果考慮幾個月甚至半年的長期停用，就必須采用特殊的措施。這種雙工況(水塔+無水塔)的供水模式，沒有先例，給我們帶來很大的設計難題。

3.4 分析與研究

我們經過仔細的分析和研究，我們發現:

1)如果采用水塔+變頻泵，由于水塔的控制方式比較獨特，要求各臺水泵輪流啟動，而變頻泵又有自己的一套控制模式，把他們糅合在一起，將造成系統的運行和切換異常復雜，因而不是優秀的設計理念。

2)如果采用水塔+氣壓罐，在水塔停用時，采用空壓機+氣壓罐，并采用壓力控制系統來調整氣壓罐的蓄壓，從而保持供水壓力的相對穩定。經過水力計算，氣壓罐的容積非常巨大。建造一個這么大的壓力容器，在當地的條件下，也不可行。

4 最小流量控制系統

4.1 我們的解決方案

把“壓力變送器和PLC”為核心的電氣自動化系統+以“自動再循環旁路閥”為核心的機械自動化系統，并將其有效整合和系統集成，從而構成了一個全新的機電一體化的“恒壓控制系統”。該恒壓系統在水塔停用時，能夠保證水系統安全可靠運行。

4.2 最小流量控制系統的概念

最小流量控制系統是離心泵的主要保護系統。在離心泵供水系統中，如果用水量減少到一定程度，將造成如下嚴重后果:

1)由于離心泵是自冷卻泵，用水量過小將導致水泵發熱損壞。

2)用水量過小，導致泵前后壓差過大，從而產生空化和閃蒸現象，對泵體、閥體和管道產生嚴重汽蝕，加速設備的損壞。

因此，為了保證離心泵系統安全可靠運行，必須保證泵的流量不能小于一個“最小流量”。達到此目的的一系列技術手段和設備構成了“最小流量控制系統”。

4.3 最小流量控制系統的實現

最小流量控制系統的核心是自動再循環旁路閥，其本質是一種機械的自動化裝置，通過內部的彈簧和杠桿力學原理，自動調節旁路閥開度的大小，從而使通過主閥的流量始終大于一個設定的最小流量，以避免離心泵在低流量運行狀態下可能的損壞。

5 水塔+恒壓雙工控制系統設計

5.1 系統介紹

對于該給水泵組，我們設計了一個具有創新性的控制系統，即水塔+恒壓雙工控制系統。

其中，恒壓模式通過合理設置旁路閥啟動壓力和水泵啟動壓力，在用水量較大從而導致供水壓力低于旁路閥啟動壓力時，電氣自動化系統起主導作用;在用水量較小從而導致供水壓力高于旁路閥啟動壓力時，機械自動化系統起主導作用——這樣的設計將機械自動化和電氣自動化有機地結合，共同實現了控制意圖。

在輸入的控制信號上除了液位信號外，僅僅又增加了一個壓力信號。在工作模式的切換上，水塔控制為“自動-手動”，而水塔+恒壓控制系統為“自動A-手動-自動B”，僅增加了一個數字量輸入。系統的簡化，帶來可靠穩定。

5.2 水塔控制模式

正常工況下，轉換開關指向“自動A”，控制模式為水塔控制系統，水泵組根據水塔液位控制啟停。

5.3 恒壓控制模式

如果水塔故障或檢修，可以把轉換開關指向“自動B”位置。這種情況下，只允許系統按照管網的壓力情況啟動和停止水泵電機。

1)如果用水量較小，管網壓力將會上升，一旦管網壓力大于旁路閥的旁路壓力P.B，旁路閥立即啟動，并自動調節旁路流量，從而維持供水泵的最小流量，并避免系統過壓。

2)如果用水量較大，一臺泵無法滿足時，管網壓力將會下降，一旦壓力下降到啟動壓力P.S，二號泵啟動，從而通過增加供水量來保證用水量。如果管網壓力上升且 >P.H，停掉一臺水泵，另一臺水泵繼續運行保證供水連續性。

6 結語

在利比亞泵站設計中，我們充分采用了先進的設計理念和新技術、新工藝，自動化程度高、操作靈活方便，特別是針對監理的特殊要求，我們做出了具有創新性的解決方案，取得了滿意的設計成果。