自動(dòng)化水泵供水控制系統(tǒng)研究

趙晶晶

摘 要：水泵供水系統(tǒng)應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)是時(shí)代的要求，也符合其發(fā)展趨勢(shì)。與傳統(tǒng)水泵工頻技術(shù)相比，PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)眾多，穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)效益好，符合當(dāng)下節(jié)能減排要求，也改善了水泵供水工頻技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中的弊端，應(yīng)用價(jià)值高，值得廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；水泵供水控制系統(tǒng)；概況

一、自動(dòng)化水泵供水控制系統(tǒng)的概況

水泵自動(dòng)化控制除了包括供水時(shí)間、供水水位、供水流量的控制外，還應(yīng)該包括企業(yè)用電負(fù)荷控制、泵閥的聯(lián)鎖開啟關(guān)閉控制、水泵的運(yùn)控制、對(duì)水泵作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控控制、對(duì)企業(yè)能源用電高低峰期統(tǒng)計(jì)分析控制，除此之外應(yīng)該使其能夠與計(jì)算機(jī)結(jié)合完成水泵系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制作業(yè)情況，水泵控制工作室計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)前水泵作業(yè)工作環(huán)境數(shù)據(jù)，將這些參數(shù)傳送到水泵控制系統(tǒng)中去，使其能夠自動(dòng)對(duì)水泵的流量進(jìn)行控制或者是水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化管理，水泵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中 應(yīng)該滿足擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以根據(jù)企業(yè)的需求，隨時(shí)增加控制節(jié)點(diǎn)。除此之外還應(yīng)該控制好安全控制工作，比如說在水泵出現(xiàn)軸承超溫或者是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障或者是水泵流量有限時(shí)，為了避免由于以上原因影響企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，應(yīng)該在控制室給予提示或者是報(bào)警。對(duì)于某些水廠企業(yè)來說，水庫的存水量是應(yīng)該有個(gè)限定值，如果當(dāng)前的水位達(dá)到了最小下限值，自動(dòng)控制系統(tǒng)也應(yīng)該做出提示，或者是減少作業(yè)水泵的數(shù)量，異或者是當(dāng)前水位的庫存量達(dá)到企業(yè)的 最大上限值的時(shí)候，系統(tǒng)也應(yīng)該發(fā)出警報(bào)，或者開啟多個(gè)水泵同時(shí)作業(yè)。在對(duì)水泵作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控的過程中，我們需要得到一些實(shí)時(shí)參數(shù)，以此來確認(rèn)當(dāng)前水泵是否處于正常的工作狀態(tài)之下，這些參數(shù) 主要為包括水位、水泵流量、電機(jī)電壓、電流、閥門壓力、作業(yè)溫度以及閘閥開啟度等。通過這些數(shù)據(jù)，可以對(duì)水泵的效率以及電耗情況進(jìn)行分析，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠在一個(gè)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境中運(yùn)行。

二、自動(dòng)化水泵供水控制系統(tǒng)要點(diǎn)分析

1、控制原理

水泵供水自動(dòng)化系統(tǒng)是一種閉控制裝置，依托PLC、變頻器等設(shè)備能夠合理控制水泵運(yùn)行，確保供水壓力平穩(wěn)。當(dāng)管網(wǎng)壓力變大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行速度壁并控制流量，以穩(wěn)定供水壓力。水泵供水自動(dòng)化系統(tǒng)控制水泵轉(zhuǎn)速主要依靠調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)中的壓力變送器能夠?qū)芫W(wǎng)的出水壓力進(jìn)行檢測(cè)并將檢測(cè)的壓力參數(shù)傳輸至PID控制器，經(jīng)PID控制器計(jì)算，會(huì)得出合適的頻率，然后由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。PLC內(nèi)置控制方式的核心是PID[2]。Δp是預(yù)先設(shè)定的壓力與給水連接管壓力變送器之間的差值，也是控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的主要依據(jù)。當(dāng)Δp≠0，PID模塊就開始計(jì)算Δp，在設(shè)定的調(diào)節(jié)規(guī)律內(nèi)對(duì)PLC輸出值進(jìn)行轉(zhuǎn)變，進(jìn)而使變頻器輸出頻率改變，確保連接管給水壓力保持在合理范圍內(nèi)。當(dāng)Δp=0時(shí)，PID模塊不會(huì)計(jì)算Δp，變頻器輸出頻率不會(huì)發(fā)生變化，水泵電機(jī)就能夠保持平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在PID調(diào)節(jié)規(guī)律下，靜態(tài)不斷縮小且系統(tǒng)條件時(shí)間會(huì)顯著縮短。應(yīng)當(dāng)注意的是，變頻器輸出值在50Hz以下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流沖擊，在切換電網(wǎng)時(shí)，應(yīng)確保變頻器輸出值在正常范圍內(nèi)。如果出現(xiàn)變頻器輸出值50Hz，但供水仍然不足時(shí)，則應(yīng)立即采用工頻代替變頻，避免對(duì)供水產(chǎn)生影響。

2、控制系統(tǒng)問題

（1）手動(dòng)控制模式

手動(dòng)控制模式是指由人工控制設(shè)備開啟、停止，此種控制模式需將選擇開關(guān)安裝于設(shè)備的控制箱，另外，還可以設(shè)置手動(dòng)或自動(dòng)選擇的變頻器操作面板。手動(dòng)控制模式要求操作人員對(duì)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行具體分析，根據(jù)實(shí)際情況利用變頻器對(duì)水泵運(yùn)行效率進(jìn)行設(shè)置。一般情況下，當(dāng)某臺(tái)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間超過24h，則應(yīng)手動(dòng)切換至其他水泵。另外，手動(dòng)控制模式還能夠?qū)ψ詣?dòng)化供水設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)或故障維修。

（2） PLC控制模式

經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效節(jié)能是對(duì)水泵供水系統(tǒng)的要求，利用變頻器調(diào)節(jié)供水運(yùn)行系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)水泵供水系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行，有益于節(jié)能減排。PLC控制模式是自動(dòng)化水泵供水控制系統(tǒng)的核心。在PLC控制模式中，PLC、壓力變送器、PID智能調(diào)節(jié)器是其主要組成部分，在PLC控制模式是自動(dòng)化水泵供水控制系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制的主要部分。壓力變送器、PID等產(chǎn)生的4-20毫安的AI信號(hào)和DI信號(hào)也由PLC接收。PLC在啟動(dòng)水泵前，會(huì)綜合分析水泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀況，優(yōu)先開啟運(yùn)行時(shí)間短、運(yùn)行狀態(tài)好的水泵，以避免水泵運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)或長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)行而產(chǎn)生的問題[3]。另外，PLC還會(huì)累計(jì)和計(jì)算系統(tǒng)反饋過來相關(guān)數(shù)據(jù)，如流量、時(shí)間等。PLC能夠自動(dòng)控制水泵，并在中央控制層的指令下更改控制策略。，為了便于值班人員了解水泵具體運(yùn)行情況和，一般PLC會(huì)配設(shè)一臺(tái)觸摸屏，借助觸摸屏直值班人員還能隨時(shí)修改PLC的各項(xiàng)參數(shù)，使之滿足水泵運(yùn)行需求。

（3）中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)主要用于對(duì)自動(dòng)化水泵控制系統(tǒng)進(jìn)行宏觀調(diào)度，設(shè)備控制畫面、設(shè)備開關(guān)是其主要組成部分。另外，中央控制系統(tǒng)還可以對(duì)變頻器的輸出、頻率、壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。中央控制系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)著統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，分析不同工藝參數(shù)數(shù)值，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、提升系統(tǒng)運(yùn)行效益的職能。在中央控制器的顯示屏幕上，可以清晰顯示出系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、變化參數(shù)和故障信息。如果系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題，中央控制器還可以發(fā)布報(bào)警信號(hào)。

3、硬軟件的配置

PLC是進(jìn)行輸入信號(hào)采集、穩(wěn)定水泵壓力的重要設(shè)備，是自動(dòng)化水泵供水系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此，選擇合理的軟件與硬件對(duì)自動(dòng)化水泵供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[4]。PLC生產(chǎn)廠家眾多，應(yīng)根據(jù)供水具體情況，綜合考慮設(shè)備質(zhì)量，選擇合適的PLC設(shè)備。本次研究中的PLC設(shè)備為西門子公司設(shè)計(jì)制造，為管網(wǎng)壓力設(shè)備選擇提供方便，有利于日后信號(hào)傳輸至變頻器。水泵供水系統(tǒng)擴(kuò)展模式選擇具備4個(gè)模擬輸入（AI）和1個(gè)模擬輸入（AO）的EM235模擬量，水泵是一種組轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)載，公式是TL=T0+KTNL2，負(fù)載轉(zhuǎn)矩：TL；比例系數(shù)：KT；水泵轉(zhuǎn)速：NL；空載轉(zhuǎn)矩：T0。由于在低速運(yùn)行下，供水系統(tǒng)TL較低，因此變頻器應(yīng)選擇專用型或節(jié)能型。本次研究中選擇的變頻器為西門子MM440變型器，該種變型器質(zhì)量過硬、性能高、動(dòng)態(tài)性能較好，能夠滿足低速高轉(zhuǎn)矩要求。另外，由于壓力變化易影響電路器件的電阻值，加配了遠(yuǎn)程壓力傳感器與滑動(dòng)觸電裝置。供水系統(tǒng)的軟件主程序安裝于主程序內(nèi)，如生成水泵控制信號(hào)等。在供水系統(tǒng)故障和報(bào)警模塊中，采用了變頻器的短路、過載等功能，以避免因短路、過載等因素影響供水系統(tǒng)運(yùn)行。在初始化程序中，根據(jù)具體供水需求，調(diào)整變頻器的供水壓力值、上限值、下限值等。根據(jù)設(shè)定值與被控制對(duì)象的實(shí)際值之間的偏差，利用PID計(jì)算控制器的輸出量，利用PID抑制系統(tǒng)閉環(huán)擾動(dòng)。

三、結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程正在不斷加快，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)深入到各個(gè)行業(yè)，如機(jī)械、化工等。變頻技術(shù)的優(yōu)越性同樣受到供水行業(yè)的關(guān)注，近年來，在工業(yè)與生活等供水系統(tǒng)中，變頻技術(shù)正在發(fā)揮著重要作用。自動(dòng)化水泵供水控制系統(tǒng)是一種新型的水泵供水系統(tǒng)，變頻器、PLC、中央控制系統(tǒng)是該系統(tǒng)主要組成部分，并且自動(dòng)化程度高，解決了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的操作難度大、占地面積廣的難題。該系統(tǒng)依托于變頻技術(shù)，能夠使水泵運(yùn)行速度與流量保持一致，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。總之，變頻調(diào)速技術(shù)能夠改善供水系統(tǒng)供水流程，對(duì)提高供水系統(tǒng)運(yùn)行效率具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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