熱電水系統中脫鹽水泵自控系統的改造

王朝陽 周志峰

(上海工程技術大學機械工程學院,上海 201620)

隨著工藝過程的不斷進步，脫鹽水的及時供給變得越來越重要，其中脫鹽水泵是脫鹽水系統的“心臟”。某企業的原脫鹽水泵是4臺獨立運行，而且都需要人工調節管道閥門，無法滿足現場要求，而且脫鹽水泵房的內部環境也對工藝值班人員的人身安全構成潛在威脅。

為此，筆者采用PLC和變頻器來改造某熱電水系統脫鹽水泵的自控系統，根據現場采集到的脫鹽水泵電機電流信號，采用PLC驅動變頻器調節電機轉速來實現對管道閥門的自動調整，以期滿足鍋爐用水需求，合理分配水泵電機負荷，避免電機過負荷運行。

1 脫鹽水工藝簡介①

某企業的原熱電脫鹽水系統由4臺獨立的脫鹽水泵組成。系統由一個總管進水，經脫鹽水泵抽水以后，從一個管道流出，運行時4臺獨立的脫鹽水泵分別向上級供水。原脫鹽水泵的供水工藝流程如圖1所示。

圖1 原脫鹽水泵供水工藝流程簡圖

4臺水泵的管道閥門都需要值班人員去現場進行手動開、合操作，自動化程度較低。當鍋爐需水量發生變化時，需要工藝人員通過調節閥門去調整供水量。在供水量變化頻繁時，就要進行頻繁的人工操作，這種自動化程度很低的人工操作必然導致供水落后于實際生產需求的結果。在緊急情況以及值班人員遠離現場的時候，這種系統存在極大的安全隱患，并且，由于工藝和電氣人員的分離，人工操作無法實現四臺水泵電機負荷的合理分配，常常導致有些電機低負荷運行，而有些卻是過負荷運行，這對電機的使用壽命造成了很大影響。同時，化工生產的現場環境也不利于人們頻繁活動于其中。

2 改造方案

基于PLC分散式控制結構和變頻器改造后的熱電水系統中脫鹽水泵自控系統(圖2)。構成：1臺PC機，安裝S7-200編程軟件Step7[1]。4臺PLC 266CPU，分別單獨控制4臺變頻器。266CPU的運行速度快、模塊擴展能力強，而且具有較多的輸入/輸出點，完全滿足復雜控制系統的要求[2,3]。4臺變頻器分別對管道閥門電機進行變頻調速控制，變頻器選用MM420系列，輸入380/480V、0～650Hz，由0.12～11.00kW的小功率電機控制。4個帶模擬量輸出的電流互感器。將脫鹽水泵電機電流的模擬量作為給定值送入PLC，經PLC PID調節后輸出給變頻器，變頻器根據脫鹽水泵電機運行的實際電流自動調節輸出頻率來控制管道閥門電機的轉速[4]。4臺閥門電機。將原手動閥門改為電動閥門，閥門電機額定電壓380V、額定電流1.8A、額定功率0.37kW、額定頻率50Hz、額定轉速1 400r/min。以S7-200 PLC作為主站，通過USS協議將從站變頻器等連接起來，形成控制網絡，實現控制功能[5]。

圖2 基于PLC和變頻器的脫鹽水泵自控系統硬件結構

該系統中，4臺變頻器分別控制4臺脫鹽水管道閥門電機的運行，實現閥門開關的自動控制，從而達到自動調節流量的目的，使得脫鹽水泵電機始終在允許的負荷內工作。同時，4臺PLC之間實現了數據互通，可根據各自采集到的脫鹽水泵電機電流來協同控制4臺管道閥門電機的啟停和相應閥門的開度，滿足了工藝用水的要求并實現了4臺電機負荷的合理分配。

由于電機在啟動時會產生幾倍額定電流的沖擊電流，而且電機在運行過程中可能會產生各種形式的過電流，從而引起變頻器跳保護或損壞。因此，筆者選用了品質優良且性能穩定的MM420型變頻器。

改造后自控系統可根據鍋爐需水量自動調節脫鹽水管道閥門的開度，還可以根據現場采集到的脫鹽水泵電機電流，通過PLC驅動變頻器調節管道閥門電機轉速的方式，實現對管道閥門的進一步自動調整，達到脫鹽水泵電機負荷的合理分配。當水泵電機電流超過或遠低于額定值時，閥門電機會根據采集到的電流信號自動調整閥門開度，保證脫鹽水泵電機始終運行在正常狀態。

3 控制程序

改造后的管道閥門電機的調速流程如圖3所示。系統中的每一臺脫鹽水管道閥門電機都由一臺變頻器控制。每臺PLC根據實時反饋的電機電流信號與電機的額定電流進行比較并輸出相應的模擬控制信號，以此模擬信號作為變頻器控制端的輸入來調節閥門電機的轉速，從而達到調節閥門開度的目的。當有些水泵電機過負荷，但同時有部分電機還處于低負荷運行時，由于4臺PLC之間實現了數據互通，各PLC可以根據采集到的實時電流信號進行綜合比較分析來調節相應管道閥門的開度，從而達到合理分配電機負荷的目的。控制程序啟動后，系統會先判斷各變頻器是否滿足啟動條件，之后再判斷變頻器是否發生故障，變頻器會向PLC反饋自身狀態的信號，當變頻器發生故障時，向PLC和上位機PC發出報警信號，使得故障得以及時處理。變頻器無故障后，系統會根據現場反饋的信號判斷各變頻器是否具有調速要求，如果有則根據設定進行相應的調速；如沒有則PLC繼續進行下一周期的掃描。

圖3 管道閥門電機的調速流程

4 結束語

系統改造成功并投運后，運行穩定、可靠性高，有效解決了原系統無法進行實時控制和電機負荷分配不均的問題。在實際生產中，采用這種4臺PLC聯動控制閥門開關的供水系統，與原系統相比的優勢：由于實際供水量要根據工藝用水狀況頻繁調整，所以在生產過程中要不停地調整閥門的開合度，在PLC和變頻器的聯合控制下，不僅保證了脫鹽水系統一直滿足鍋爐用水的要求，而且還具有實時分配4臺電機負荷的優點；再未出現一些電機過負荷，而另外一些電機低負荷的運行狀況，極大地提高了系統的整體性能；系統采用了PLC和變頻器相結合的控制方式，因而閥門電機大多運行在額定轉速以下，節能減耗效果明顯；由于電機實現了軟啟動，也極大地延長了電機的使用壽命；實現自動控制，不僅節省了大量的人力，還杜絕了值班人員在現場操作時的安全隱患。

[1] 王萬強.工業自動化PLC控制系統應用與實訓[M].北京:機械工業出版社,2014.

[2] 方大千,朱麗寧.變頻器、軟啟動器及PLC實用技術手冊[M].北京:化學工業出版社,2014.

[3] 李鴻儒,于霞,孟曉芳,等.西門子系統變頻器及其工程應用[M].北京:機械工業出版社,2013.

[4] 劉美.化工儀表及自動化[M].北京:中國石化出版社,2014.

[5] 邱公偉.可編程控制器網絡通信及應用[M].北京:清華大學出版社,2000:321～335.