基于PLC控制的變頻恒壓供水系統改造

摘 要：隨著社會的發展，人們對供水系統可靠性的要求不斷提高；且目前能源緊缺，利用先進的自動化技術、控制技術，設計高性能、高節能、能適應不同領域的恒壓供水系統成為必然的趨勢。本文對我司供水范圍內的一個加壓泵站進行改造，采用變頻器和PLC實現恒壓供水。變頻恒壓供水系統已在國內得到廣泛應用，其運行可靠且實現節能效果。經實踐證明該系統具有高度的可靠性和實時性，極大地提高了供水質量，并且節省了人力和電耗，有明顯的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：改造；恒壓供水；變頻；PLC

一、前言

我司加壓泵站供水范圍為河源市老城片區，日供水能力3.8萬m3/d，擁有三臺90KW水泵，加壓前管網壓力0.15-0.2MPa，加壓后管網壓力0.35-0.45MPa。

該加壓泵站當前設備較陳舊采用手動控制，需專人看管，由于值班人員的責任心不強，導致容易出現異常，給居民用水帶來極大的不便。本文以本公司供水片區的管道加壓供水系統為例，進行系統分析，找出其存在的問題和不足，利用PLC控制變頻技術對其進行技術改造，使之達到自動恒壓控制的目的，提高系統的各項性能。

二、泵站現有控制系統的分析

（一）加壓泵站現使用加壓供水系統的組成。

本泵站由一條DN600進水管，一條DN600出水管，一條旁通管，三套水泵機組和數個蝶閥、止回閥組成。水泵機組白天至晚上兩用一備，凌晨一用兩備。每臺水泵配備有變頻器，水泵均采用變頻運行。為實現恒壓目標，在加壓后管網監測壓力變化，反饋回給帶PID調節的壓力控制儀表。壓力控制儀表輸出信號給其中一臺水泵，通過轉換開關確定壓力控制儀表所控制的水泵實現變頻功能。

（二）現系統控制說明。

該系統采用簡單的壓力控制儀表進行控制，具有手動和自動恒壓控制功能。當系統處于自動控制時，操作人員選擇需要變頻調速的水泵并設定目標壓力，管網壓力反饋回壓力控制儀表進行PID運算后控制單臺變頻器變速運行，其他啟動的水泵處于變頻全速運行狀態；當系統處于手動控制時，由操作人員操作變頻器面板實現水泵運行。

（三）采用壓力控制儀表對變頻的控制系統存在的不足。

壓力控制儀表控制變頻的控制系統能基本達到恒壓供水的功能，但仍存在部分缺陷：

1、每次輪換水泵需停所有泵再開啟需輪換的水泵；

2、當開啟2臺水泵，當供水管網壓力過高時，一臺水泵會減速至停止，而剩下的一臺水泵卻處于全速運行不會減速；

3、運行人員需時刻關注供水管網壓力，需人為操作設備實現恒壓供水的目的，人力投入大，且運行人員勞動強大較高。

三、PLC自動控制系統的改造設計

（一）系統控制目的和原理

針對采用壓力控制儀表對變頻的控制系統存在的問題，通過現有電氣設備進行技術改造達到自動控制效果，確保泵站出廠水水壓恒定、降低操作人員的勞動強度和人工成本。通過壓力反饋值與設定值對比，經PLC數據處理，調節變頻器頻率達到恒壓效果，最終實現泵站自動控制。

（二）控制系統流程圖設計及說明

根據PLC控制系統的控制目的和原理，編制系統運行邏輯關系：

系統起動之后，判斷是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，操作人員根據生產需要操作相應的按鈕，系統根據按鈕執行相應操作。如果是自動運行模式，則系統根據程序及相關的輸入信號執行相應的操作。

在自動運行模式中，當PLC接到頻率上限信號時，則執行增泵程序，增加水泵的工作數量；當PLC接到頻率下限信號時，則執行減泵程序，減少水泵的工作數量。沒接到信號變化就保持現有的運行狀態。

（三）PLC的選型

結合現場設備控制系統所需I/O控制點數、工作環境、系統穩定度等要求，選用西門子S7-200CN系列PLC規格CPU 224XP，另增加兩輸出模擬量模塊EM232一個和四輸入模擬量模塊EM231兩個。

（四）程序設計

根據系統控制要求，設計PLC的輸入輸出信號分配及接線控制原理圖，并根據工藝要求編制PLC運行程序。

（五）控制系統運行流程

1、手動運行。當旋轉自動/手動轉換按鈕時，用手動方式。按下各水泵對應電源主接觸器啟動按鈕，接通電源后再按下各水泵對應變頻器啟動按鈕，手動調節電位器改變變頻器運行頻率，該方式僅供自動故障時使用。

2、自動運行。由PLC分別控制某臺電機變頻繼啟動電器，在條件成立時，進行增泵升壓和減泵降壓控制。

升壓控制：系統開始工作時，供水管道內水壓力較低，在控制系統作用下根據設定壓力，第一臺水泵開始運行，啟動后轉速逐漸升高，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩定到某一定值，這期間第一臺水泵處在調速運行狀態。當用水量繼續增加，變頻器輸出頻率增加至全速時，水壓仍低于設定值，由PLC控制保持運行；同時，使第二臺水泵投入并變速運行，系統恢復對水壓的閉環調節，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續增加，每當加速運行的變頻器輸出頻率達到全速時，將繼續執行如上轉換，并有新的水泵投人并聯運行.當最后一臺水泵投人運行，變頻器輸出頻率達到全速，壓力仍未達到設定值時，控制系統發出故障報警。

降壓控制：當用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時，水壓仍高于設定值，系統將運行時間最長的一臺水泵關掉，恢復對水壓的閉環調節，使壓力重新達到設定值.當用水量繼續下降，每當減速運行的變頻器輸出頻率降至起動頻率時，將繼續發生如上轉換，直到剩下最后一臺水泵運行為止。

四、改造完成實現的效果

1、恒壓系統穩定運行，目標壓力與實際壓力誤差0.01MPa左右；

2、水泵實現主副機自動輪換功能，保證設備良好工況運行，無需操作人員進行手動輪換設備；

3、控制柜面板（觸摸屏）上可顯示設定壓力、實際壓力、水泵電流、水泵頻率、水泵啟停等運行參數；

4、有效降低電耗，同比改造前每月電耗下降約5%。

作者簡介：

鄒煥軍（1987-），男，漢族，廣東河源人，本科，河源市勤誠達水務有限公司電氣工程師

（作者單位：河源市勤誠達水務有限公司）