基于PLC的水泵機(jī)組節(jié)能設(shè)計(jì)

濮陽檳

（衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 浙江 衢州 324006）

0 引言

在全球都重視環(huán)境保護(hù)的今天，污水處理越來越受到人們的重視。水泵機(jī)組是污水處理過程中的主要耗能設(shè)備。某污水處理廠A類水質(zhì)配有3臺(tái)水泵，型號(hào)為SIH200-400，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為40m，流量為500m3/h,電機(jī)功率為75kW。系統(tǒng)原來的實(shí)際處理能力在（200－400）m3/h之間，揚(yáng)程不足20m，水泵機(jī)組的效率較低，有“大馬拉小車”的現(xiàn)象。另外，由于排江水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速單一，故水泵的出水量也是恒定不變的。但“泄水池”的進(jìn)水量卻是隨生產(chǎn)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(nèi)，以保證生產(chǎn)污水的正常排放，工人要在現(xiàn)場經(jīng)常調(diào)節(jié)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(dòng)強(qiáng)度，而且有大量的電能浪費(fèi)在水泵閥門阻力的損失上。為了提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、達(dá)到節(jié)能的目的。有必要對排江水泵機(jī)組重新進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

1 基于PLC的水泵機(jī)組的組成

1)水泵機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 基于PLC的水泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)框圖

目前對水泵機(jī)組進(jìn)行恒壓控制的系統(tǒng)較多，而對水泵機(jī)組實(shí)行恒液位、變流量的控制系統(tǒng)還是不多的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。系統(tǒng)選用日本三菱公司的FX2N-128MR作為數(shù)據(jù)采集、邏輯控制及實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的主控單元；選用日本富士公司的FRN75P11S－4CX變頻器作為執(zhí)行單元；選用德國產(chǎn)E+H.4-20MA超聲波液位計(jì)作為實(shí)時(shí)液位檢測元件。

2)水泵機(jī)組主要參數(shù)的設(shè)定及人機(jī)操作界面

水泵機(jī)組參數(shù)的設(shè)定是根據(jù)“吸水池”液位的要求來進(jìn)行的。系統(tǒng)設(shè)定滿量程液位為3米，對應(yīng)PLC的數(shù)值為1000。依據(jù)近年來對“吸水池”實(shí)際液位波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)定PID調(diào)節(jié)目標(biāo)值為600（1.8米），液位上限的報(bào)警值為933（2.8米），液位下限的報(bào)警值為200（0.6米）。高液位水泵電機(jī)工頻/變頻啟動(dòng)切換值為833（2.5米），低液位水泵電機(jī)停止切換值為200（0.6米）。

人機(jī)界面的設(shè)置是本著方便操作的原則，設(shè)計(jì)了菜單式中文屏幕，工人只要用手指在屏幕上輕觸相應(yīng)的菜單就可在控制室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作：完成對“吸水池”液位、水泵電機(jī)運(yùn)行頻率等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定；系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集；系統(tǒng)實(shí)時(shí)流程的啟動(dòng)、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(jī)當(dāng)前運(yùn)行的頻率、電流、電壓及水泵工頻/變頻運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)信息。當(dāng)水泵運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。

3)水泵機(jī)組的控制原理

通過對水泵機(jī)組的全自動(dòng)變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)恒液位、變流量的供排水系統(tǒng)，是在吸收了國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的新型供水方案。PLC作為主控單元接收來自現(xiàn)場的各種信號(hào)，經(jīng)過分析、運(yùn)算后發(fā)出對變頻器及水泵電機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速控制的命令。當(dāng)“吸水池”進(jìn)水量增大時(shí)，依超聲波液位檢測計(jì)發(fā)出的液位上升信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)使變頻器輸出的頻率增大，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，出水量也相應(yīng)地增大，從而保持“吸水池”液位的相對恒定。

水泵機(jī)組具有自動(dòng)/手動(dòng)兩種控制方式。在自動(dòng)方式下水泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由“吸水池”液位的高低來自動(dòng)控制。在手動(dòng)方式下，操作人員在主控室通過觸摸屏來控制水泵電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)針對實(shí)際生產(chǎn)工藝變化而引起的污水進(jìn)水量時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了三臺(tái)水泵電機(jī) （每臺(tái)水泵電機(jī)容量為75kW，分別定義為1#、2#和3#）為一個(gè)機(jī)組。當(dāng)進(jìn)水量較小時(shí)僅開啟1#電機(jī)，隨著進(jìn)水量的增大（由超聲波液位計(jì)的檢測信號(hào)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(jī)滿負(fù)荷仍不能滿足液位要求時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出命令將1#電機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)2#電機(jī)進(jìn)入變頻工作狀態(tài)，若還不能滿足液位控制要求，則將1#、2#電機(jī)均轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，并自動(dòng)投入3#電機(jī)進(jìn)入變頻工作狀態(tài)。同理，當(dāng)進(jìn)水量不斷降低時(shí)，系統(tǒng)采取了使水泵電機(jī)逐臺(tái)從工頻切換至變頻運(yùn)行狀態(tài)，直至使其停止工作。采用這種運(yùn)行方式避免了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，從而達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

2 水泵機(jī)組的系統(tǒng)調(diào)試

當(dāng)PLC還沒正式投入運(yùn)行時(shí)，先在PLC的輸入X0-X77加入開關(guān)量，查看PLC上X0-X77相應(yīng)的燈是否亮。再通過三菱編程軟件FXGP_WIN_C強(qiáng)制輸出Y0-Y77，看PLC上Y0-Y77相應(yīng)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(jìn)行通訊，若發(fā)送燈及接收燈均亮，說明系統(tǒng)通訊暢通。在實(shí)際調(diào)試之初接收燈始終沒亮，經(jīng)查閱FX通訊手冊后才知道是因?yàn)镈8120通訊格式錯(cuò)誤引起,糾正后接收數(shù)據(jù)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(dāng)于低液位，變頻器不起動(dòng)；把電阻箱打到2000歐姆檔，PLC中顯示液位當(dāng)前值為200（水泵電機(jī)趨于臨界工作狀態(tài)）；繼續(xù)增大電阻，PLC中顯示的模擬液位逐漸升高，1#電機(jī)轉(zhuǎn)速從0開始逐漸上升 （水泵電機(jī)軟起動(dòng)），通過1#變頻器面板可看到1#電機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行；當(dāng)模擬液位升至上限（此時(shí)變頻器輸出50Hz）并持續(xù)1分鐘后，1#電機(jī)自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)，2#電機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)此，通過改變電阻箱的阻值可模擬各種液位情況來對系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試。模擬調(diào)試通過后就可進(jìn)入現(xiàn)場調(diào)試。

3 結(jié)束語

通過對水泵機(jī)組全自動(dòng)變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)的恒液位、變流量供水系統(tǒng)自在本廠投入實(shí)際運(yùn)行至今，運(yùn)行中反映的問題主要有二點(diǎn)：一是系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中，由于變頻器對通訊系統(tǒng)的干擾，系統(tǒng)通訊有時(shí)可能會(huì)暫時(shí)中斷（出現(xiàn)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(shí)際使用中不能將變頻器、PLC與工控機(jī)之間通訊傳送速率設(shè)置的太高，當(dāng)傳送速率太高時(shí)系統(tǒng)的抗干擾能力明顯變壞。實(shí)踐證明傳送速率為1200bps時(shí)系統(tǒng)的抗干擾能力完全能滿足系統(tǒng)工作的需要。

水泵機(jī)組采用全自動(dòng)變頻調(diào)速的恒液位、變流量供水系統(tǒng)投入運(yùn)行后，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且也達(dá)到了節(jié)能的目的，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］廖常初.PLC 編程及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］郁有文,等.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安科技大學(xué)出版社,2000.

［3］張倫，等.傳感器與信號(hào)調(diào)節(jié)器件應(yīng)用技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2002.

［4］吳忠智，等.變頻器應(yīng)用手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［5］張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.