試論水廠PLC變頻恒壓供水技術的應用

摘要：文章以實際工作經驗為基礎，首先闡述了水廠變頻恒壓供水技術的基本原理及其操作方式，探討了變頻恒壓供水技術在水廠供水管網的應用，并提出了系統運行過程中的水泵檢修及故障處理措施，希望能夠給予同行業人員有意義的借鑒。

關鍵詞：水廠；供水管網；PLC；變頻恒壓供水技術；水泵 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM921 文章編號：1009-2374（2016）05-0113-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.057

隨著社會經濟與科學技術的不斷提高，工業計算機與電力電子控制技術發展迅速，并被普遍應用在工業生產領域。在城市供水系統中，以PLC為主控制器、變頻器為執行機構的自動供水系統，以其穩定、安全、節能、全自動、高效的運行方式，滿足了工業和居民的日常生產與生活用水需求。與傳統的供水形式相比，這種供水系統能夠在較小電流的情況下平穩啟動，避免電機啟動對電網造成沖擊和對泵或閥門等的損耗，消除啟動或停機時產生水錘效應，提高供水質量并降低水廠的生產

成本。

1 變頻恒壓供水的基本原理

變頻恒壓供水系統主要包括PLC控制器、變頻器、水泵、TC時間控制器、PID調節器、壓力傳感器、液位傳感器以及動力控制線路等，這些控制與監測構件共同組成一個穩定的閉環系統。

通過該系統的電位器可以設定供水壓力值，再通過該系統的壓力傳感器，將實測的管道壓力值反饋到PLC控制系統，系統將實測水壓反饋值與給定壓力值進行PID和DTC運算，得出壓力差值，最后由系統變頻器控制輸出不同頻率和電壓的電源來驅動并調節水泵工作，改變水泵輸出的水壓及流量，從而保證供水管道內的水壓始終處于恒定狀態。

在水廠的日常生產過程中，系統管理人員只需要對該系統控制柜面板上的按鈕和相應指示燈進行操作即可，系統操作簡單，并可保障供水管道內的水壓穩定。

2 變頻恒壓供水系統的操作方式

變頻恒壓供水系統主要包含兩種運行形式，即手動運行和自動運行。手動運行主要是通過對具有相應功能按鈕的操作，控制水泵的啟動與停止狀態。通常情況下，手動操作只有在系統變頻器發生故障或需要對供水系統進行檢修時才會啟用，而在水廠的正常生產過程中，很少采用手動操作的這種運行方式；系統的自動運行就是通過主控制系統對供水管網壓力及設備運行狀態的實時監控，保障管網正常供水的過程。在啟動自動運行系統后，水泵開始工作，供水管網中的壓力逐漸上升，與此同時，系統中的壓力傳感器檢測實時水壓值，并傳送至PID調節器，再經過與設定的壓力參數的比較，得出差值并傳輸到供水系統的變頻器，由變頻器調解水泵電機的功率，實現供水管網的供水恒壓。在供水系統的自動運行過程中，也會受到各種外部因素的影響，如：突然斷電時，供水系統將停止運行，當電源恢復后，由變頻器直接執行供水水泵的啟動、循環等全部的操作，供水系統將自動恢復運行。

通常情況下，水廠變頻恒壓供水系統至少有四個供水水泵，當系統進入自動運行模式時，首先給1號水泵電機通電，并將電壓傳輸到變頻器，由變頻器逐步控制提升1號電機的電源輸入頻率，直至達到設定的信號值，再以同樣的控制方法陸續啟動后續的供水水泵。在系統的自動運行模式下，操作人員需要重點關注壓力參數的比較環節，可以適當地對電壓參數進行修正，從而保障供水管網系統的供水穩定性，也可充分發揮出變頻恒壓供水系統的安全、節能、高效的強大功能。

3 變頻恒壓供水系統的控制

3.1 水泵的節能與調速策略

水廠變頻恒壓供水系統中的水泵，其揚程（H）、轉速（n）、流量（Q）及軸功率（P）存在以下關系：Q=K1n、H=K2n2、P=K3HQ=K1K2K3n3=Kn3，其中K、K1、K2、K3為常數。根據公式，水泵的供水流量與其轉速成正比，揚程與其轉速的平方成正比，而對于水泵消耗的軸功率，則與其轉速的三次方成正比。因此，調解水泵的運行轉速不僅可以實現對供水管網進行調壓的目的，對于系統節能也有著明顯的效果。

3.2 水泵調節的方法

3.2.1 液力耦合器。此方法主要是通過耦合器以實現對水泵的變速控制，轉速比越小，其控制的程度就會越高，所以效率較低。

3.2.2 電磁離合器。這種調節方式的安全性較高，只需確保裝置始終處于絕緣狀態即可，而且結構相對簡單、操作容易、成本較低，且無需較高的容量。但對水泵的轉速進行調節后，其反應較慢并伴有較大的噪聲污染及一定的轉差損耗。

3.2.3 動葉調節。這種調節方式需要在水泵內安設動葉結構。相對于其他調節方式來說，其調節穩定性更佳，并可實現較大范圍的高效調節，但其結構繁雜、成本較高、自動調節的能力較差，只適用在較大型的供

水站。

3.2.4 節流調節。節流調節即在水泵的輸出口安設截流閥門，通過改變閥門的開口大小，以實現控制水泵供水流量的目的。在調節水泵輸出流量的過程中，當閥門開口大小變化時，水流揚程也將發生改變，從而確保供水系統恒壓控制的效率。這種調節方式的投資成本較低、安全可靠，但其能源損耗量也相對較高，常用在離心式水泵作業的供水企業。

3.3 變頻恒壓供水技術

3.3.1 自動投切。變頻器的輸出頻率設有上限和下線，如果在變頻器的輸出頻率已經達到其上、下極限，管網的水壓仍無法滿足水量要求時，PLC將開始執行投或切泵程序。當管網的用水量較小時，系統變頻器只控制一臺水泵穩定運行；而當用水量較大，變頻器的輸出頻率已升至上限，仍無法確保管網的水壓時，PLC將同時檢測變頻器的上限信號和控制器的壓力下限信號，并將原變頻情況下工作的水泵投入到工頻狀態，而系統備用泵則通過變頻器啟動后運行，從而確保管網水壓及供水量的穩定。如果兩臺水泵仍無法滿足水壓要求時，可依次將變頻工作的水泵投入工頻狀態，僅留一臺備用泵變頻運行；如果用水量降低，變頻器釋放最下線信號，此時PLC將控制工頻運行的水泵停止工作，當下線信號仍然存在時，PLC將再次停止工頻運行水泵，直至最低下線信號消失，管網恒壓供水。

3.3.2 啟動程序。水泵在啟動前，系統PLC將先行對清水池水位及水泵真空度進行檢測，當水位滿足啟泵要求，水泵真空度已經形成，系統將開啟水泵的啟動程序。如果水泵的真空度不足，系統將先啟動真空泵抽真空，在真空度及清水池水位滿足要求后啟動水泵。抽真空時，如果抽真空失敗或系統運行過程中清水池過低，系統將停止水泵運行并發出報警。

3.3.3 投泵程序。如果變頻器輸出頻率已達上限，但管網水壓仍低于設定壓力值時，PLC將在規定的時間內計時，當管網壓力達到了設定值，PLC放棄計時，否則開始變頻調壓；如果在規定時間內，管網壓力仍無法到達設定值時，PLC將開始執行自動投切程序，以增加管網的供水壓力和流量。

3.3.4 切泵程序。如果變頻器輸出頻率降至下限，但管網的壓力仍大于設定壓力值時，PLC將在規定的時間內計時，當管網壓力滿足設定值要求，PLC放棄計時，并繼續變頻調壓；若仍然大于設定值，PLC將依次停止恒壓泵并提高變頻器頻率，直至管網壓力達到設定值要求。

3.3.5 投切順序。變頻恒壓供水系統遵循“先投先切、先切先投”的原則，控制水泵切換。PLC將根據水泵的運行狀況，自動將其排列到待運行或運行隊列中，并自動執行投切。如果運行中的水泵出現故障，PLC會將其從切換的隊列中退出，并告知維護人員進行修理。

4 變頻恒壓供水系統檢修及故障處理

4.1 水泵的檢修

通常情況下，水廠的變頻恒壓供水系統包含若干個供水水泵（一般不少于4個），當水泵經過長期的、不間斷的運行時，就會進入疲勞狀態，供水效率降低，進而產生故障。所以對水泵的檢修是系統故障排除的重點，也是水廠供水系統定期檢修的關鍵性工作。

在檢修水泵時，應在不影響供水系統正常運行的前提下，停運某一臺水泵并進行檢修或故障排除，其他供水水泵需正常運行。此外，在水泵的檢修階段，要使用備用水泵來替代已運行一段時間的水泵，保證水泵的輪休和工作，以此避免并降低水泵故障的發生幾率，提升水泵的使用壽命和工作效率。

4.2 故障報警處理

在正常的運行過程中，變頻器如果出現差壓、超壓缺相、故障等情況時，變頻恒壓供水系統將啟動報警系統，并發出報警信號和報警聲，同時PLC會根據實際運行情況自動檢測并分析故障的程度，如果PLC判定故障程度比較嚴重時，供水系統將立即跳轉到停機狀態。如：系統出現超壓、缺相、變頻器故障或液位下限等故障時，報警系統會立即啟動并發出故障警示，供水管理人員接警后，通過系統提示，便可獲知故障點及其故障原因，以便及時展開維修并除故障，對避免系統事故的進一步擴大而惡化供水質量有著重要意義。

此外，如果是供水系統的變頻器發生故障，為了避免供水系統的正常運行遭受影響，可將系統由自動運行方式轉換為手動運行方式，以此確保供水系統運行的連續性，保證水廠的供水質量。

5 結語

水廠的供水系統在采用PLC變頻恒壓供水技術后，可顯著提升供水系統的安全性和可靠性，在技術上，真正實現了無人值守、全自動循環切換、變頻恒壓控制的運行，消除了各臺水泵啟動時所產生的大電流沖擊，確保了供水系統設備的運行效率及穩定性能的優化，降低了水泵的轉速損耗并延長了水泵的使用壽命，為提升水廠的供水質量和經濟效益創收有著深遠的意義。

參考文獻

[1]滿永奎.通用變頻器及其應用[M].北京：機械工業出版社，1995.

[2]胡佑兵.基于PLC的變頻恒壓供水系統研究與實現[J].中國水運（下半月），2009，9（7）.

[3]中國城鎮供水協會.城市供水行業2010年技術進步發展規劃及2020年遠景目標[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

作者簡介：梁慶燊（1989-），男，廣東順控發展股份有限公司助理工程師，研究方向：機械維護與優化。

（責任編輯：秦遜玉）