基于PLC的水泵機組節能設計

濮陽檳

（衢州學院電氣與信息工程學院 浙江 衢州 324006）

0 引言

在全球都重視環境保護的今天，污水處理越來越受到人們的重視。水泵機組是污水處理過程中的主要耗能設備。某污水處理廠A類水質配有3臺水泵，型號為SIH200-400，設計揚程為40m，流量為500m3/h,電機功率為75kW。系統原來的實際處理能力在（200－400）m3/h之間，揚程不足20m，水泵機組的效率較低，有“大馬拉小車”的現象。另外，由于排江水泵電機的轉速單一，故水泵的出水量也是恒定不變的。但“泄水池”的進水量卻是隨生產工藝的變化而改變。為了使“泄水池”的液位保持在允許的范圍內，以保證生產污水的正常排放，工人要在現場經常調節水泵出口閥門的大小來控制“泄水池”的出水量，用以維持“泄水池”液位的相對恒定。這樣做不僅增大了工人的勞動強度，而且有大量的電能浪費在水泵閥門阻力的損失上。為了提高系統自動化程度、減輕工人的勞動強度、達到節能的目的。有必要對排江水泵機組重新進行改造設計。

1 基于PLC的水泵機組的組成

1)水泵機組的系統結構框圖

圖1 基于PLC的水泵機組的結構框圖

目前對水泵機組進行恒壓控制的系統較多，而對水泵機組實行恒液位、變流量的控制系統還是不多的。系統結構框圖見圖1所示。系統選用日本三菱公司的FX2N-128MR作為數據采集、邏輯控制及實現PID調節的主控單元；選用日本富士公司的FRN75P11S－4CX變頻器作為執行單元；選用德國產E+H.4-20MA超聲波液位計作為實時液位檢測元件。

2)水泵機組主要參數的設定及人機操作界面

水泵機組參數的設定是根據“吸水池”液位的要求來進行的。系統設定滿量程液位為3米，對應PLC的數值為1000。依據近年來對“吸水池”實際液位波動的統計數據，設定PID調節目標值為600（1.8米），液位上限的報警值為933（2.8米），液位下限的報警值為200（0.6米）。高液位水泵電機工頻/變頻啟動切換值為833（2.5米），低液位水泵電機停止切換值為200（0.6米）。

人機界面的設置是本著方便操作的原則，設計了菜單式中文屏幕，工人只要用手指在屏幕上輕觸相應的菜單就可在控制室內進行遠程操作：完成對“吸水池”液位、水泵電機運行頻率等系統運行參數的設定；系統實時數據的采集；系統實時流程的啟動、停止等各種控制功能。在觸摸屏上還可以直接顯示“吸水池”液位的高低、水泵電機當前運行的頻率、電流、電壓及水泵工頻/變頻運行狀態等相關信息。當水泵運行出現異常時系統還會自動發出聲、光報警信號。

3)水泵機組的控制原理

通過對水泵機組的全自動變頻調速來實現恒液位、變流量的供排水系統，是在吸收了國內外先進技術的基礎上開發研制的新型供水方案。PLC作為主控單元接收來自現場的各種信號，經過分析、運算后發出對變頻器及水泵電機組進行變頻調速控制的命令。當“吸水池”進水量增大時，依超聲波液位檢測計發出的液位上升信號，系統會使變頻器輸出的頻率增大，水泵電機轉速上升，出水量也相應地增大，從而保持“吸水池”液位的相對恒定。

水泵機組具有自動/手動兩種控制方式。在自動方式下水泵電機的運行狀態由“吸水池”液位的高低來自動控制。在手動方式下，操作人員在主控室通過觸摸屏來控制水泵電機的運行。系統針對實際生產工藝變化而引起的污水進水量時大時小的現象，設計了三臺水泵電機 （每臺水泵電機容量為75kW，分別定義為1#、2#和3#）為一個機組。當進水量較小時僅開啟1#電機，隨著進水量的增大（由超聲波液位計的檢測信號來反映）變頻器輸出頻率逐漸上升，從而使水泵出水量增大，至1#電機滿負荷仍不能滿足液位要求時，系統發出命令將1#電機轉為工頻運行狀態，同時啟動2#電機進入變頻工作狀態，若還不能滿足液位控制要求，則將1#、2#電機均轉為工頻運行，并自動投入3#電機進入變頻工作狀態。同理，當進水量不斷降低時，系統采取了使水泵電機逐臺從工頻切換至變頻運行狀態，直至使其停止工作。采用這種運行方式避免了“大馬拉小車”的現象，從而達到最佳的節能效果。

2 水泵機組的系統調試

當PLC還沒正式投入運行時，先在PLC的輸入X0-X77加入開關量，查看PLC上X0-X77相應的燈是否亮。再通過三菱編程軟件FXGP_WIN_C強制輸出Y0-Y77，看PLC上Y0-Y77相應的燈是否亮。由此鑒定PLC本身的性能好壞。

接著再通過編寫一段通訊程序，用RS指令和變頻器進行通訊，若發送燈及接收燈均亮，說明系統通訊暢通。在實際調試之初接收燈始終沒亮，經查閱FX通訊手冊后才知道是因為D8120通訊格式錯誤引起,糾正后接收數據正常。

最后，可通過電阻箱來模擬液位的變化情況。把電阻箱打到1000歐姆檔，相當于低液位，變頻器不起動；把電阻箱打到2000歐姆檔，PLC中顯示液位當前值為200（水泵電機趨于臨界工作狀態）；繼續增大電阻，PLC中顯示的模擬液位逐漸升高，1#電機轉速從0開始逐漸上升 （水泵電機軟起動），通過1#變頻器面板可看到1#電機進入變頻運行；當模擬液位升至上限（此時變頻器輸出50Hz）并持續1分鐘后，1#電機自動切換到工頻狀態，2#電機進入變頻運行狀態。據此，通過改變電阻箱的阻值可模擬各種液位情況來對系統進行模擬調試。模擬調試通過后就可進入現場調試。

3 結束語

通過對水泵機組全自動變頻調速來實現的恒液位、變流量供水系統自在本廠投入實際運行至今，運行中反映的問題主要有二點：一是系統在啟動過程中，由于變頻器對通訊系統的干擾，系統通訊有時可能會暫時中斷（出現黑屏）2分鐘，后來通過在通訊端口加裝串口通訊泵（中繼放大器）解決了干擾問題；另外，在實際使用中不能將變頻器、PLC與工控機之間通訊傳送速率設置的太高，當傳送速率太高時系統的抗干擾能力明顯變壞。實踐證明傳送速率為1200bps時系統的抗干擾能力完全能滿足系統工作的需要。

水泵機組采用全自動變頻調速的恒液位、變流量供水系統投入運行后，不僅實現了自動化控制，大大減輕了工人的勞動強度，而且也達到了節能的目的，收到了良好的經濟效益和社會效益。

［1］廖常初.PLC 編程及應用[M].機械工業出版社，2002.

［2］郁有文,等.傳感器原理及工程應用[M].西安科技大學出版社,2000.

［3］張倫，等.傳感器與信號調節器件應用技術[M].科學出版社，2002.

［4］吳忠智，等.變頻器應用手冊[M].機械工業出版社，2001.

［5］張燕賓.變頻調速應用實踐[M].機械工業出版社，2001.