基于先進控制技術構建智能化水泵房電氣及自控系統

李顯君，解占孝，李斌壽

（青海鋰業有限公司，青海 格爾木 816000）

0 引 言

青海鋰業有限公司水泵房作為動力車間的一個基礎設施，擔負了供應整個廠區的生產與生活用水、鍋爐循環冷卻用水及消防用水的任務。動力車間三個水泵房相距較遠。由于三個水泵承擔著原水、過濾水和RO水的供應，一直未能實現集中控制，存在各泵房之間銜接困難，對全廠供水（用水）控制不足，突發情況下無法連鎖保護，各泵房間設備銜接不暢效率低的情況。為了提高效率，節約成本，必須提升三個水泵房自動化水平，實現集中管理、分散控制。

1 系統架構

本次技改應用了先進技術，推進了生產自動化，提升了管理水平。在水泵房電氣及自控系統項目中，系統設計為設備層、控制層及信息層三層架構，并基于當前流行的Prof i Bus、ControlNet數據傳輸總線技術，融合在線監測、自動控制、PID閉環調節和安全預警等信息監控手段，構建了一套安全、智能的供水自控系統[1]，總體架構如圖1所示。

為確保供水安全，系統提供了現場控制級、PLC控制級和生產管理級三級管控方式，并配置一套在線式不間斷電源（UPS），以保證停電時各控制設備及現場儀表仍能安全可靠運行，不丟失數據[2]。

現場控制級――現場按鈕/指示燈、操作站、傳感器、執行元器件及輔助觸點，提供了現場設備操控、供水管網檢測和傳遞控制等功能。其中，水位、流量、壓力傳感器基于Prof i busDP總線，變頻器、泵控軟起動器基于ControlNet總線。每臺水泵電機加裝的PT100鉑金溫度電阻，通過補償導線接入溫度變送器。此外，在監控系統或網絡故障停用和維修調試時，由開關柜上的操作按鈕通過傳統的接觸器/繼電器電路，仍可直接對水泵進行啟停操作[3]。

圖1 總體架構

PLC控制級――采用AB ControlLogix PLC作為主控單元，承擔供水系統的核心控制，接收監控層下達的指令及消防信號，檢測現場設備、開關狀態及傳感器、執行元器件的反饋信號。根據預定功能進行邏輯運算后，通過執行設備（如變頻器、交流接觸器等）控制水泵有效作業，同時自動計算存儲設備累計運行時間，對系統中出現的故障還將按故障點所屬區域進行區分（如生產生活變頻泵、循環補水泵、室內消火栓及隔火水幕消防泵、室外消火栓消防泵、自動噴水消防供水泵等）[4]。在對應開關柜上提供聲光報警指示，水位超限時還將在值班室PLC柜上提供聲光報警指示。

生產管理級――采用AB PanelView Plus觸摸屏作為現場操作的人機界面，管理計算機采用Rockwell RSView SE組態監控應用程序，以3D圖形化界面實時提供直觀的供水系統監控，結合運行曲線、報警信息和統計報表，使用戶即便在集控中心也可對水泵房設備狀態（如分閘/合閘、啟動/停止/故障、工作頻率、工作電流、電機溫度、運轉時間）、管網壓力、水池水位和供水流量等系統運行狀況一目了然，有利于供水調度人員根據采集的數據進行生產調度和指揮。

其中，針對生產與生活用水、鍋爐循環冷卻用水系統自動提供變頻調速控制，以減少管網壓力的波動，保證廠區內自用水壓力足夠且穩定。消防供水則統一由消防自控集中監控。水泵電氣及自控系統主要考慮實時監測設備狀態，并提供對現場開關柜的控制。

2 系統特點

2.1 控制方式靈活以確保安全

系統具有獨立的控制功能且互為備用，相互之間既可以在自動控制方式下實現聯動運行，也可以在手動方式下獨立控制。

在系統設備和網絡正常時，用戶可在集控中心通過管理計算機進行遠程監控與參數設置。當遠程計算機或網絡故障時，用戶可通過值班室PLC柜上的觸摸屏操作站監控系統；當自控系統出現故障無法運行時，可以將現場MNS開關柜上的“手動/自動”轉換開關切換至手動，通過開關柜上的按鈕，對各臺水泵進行獨立啟停操作，以確保供水安全。管道及儀表見圖2。

圖2 供水工段管道及儀表流程圖

2.2 變頻調節實現恒壓供水

PLC實時比較管網的實際壓力與用戶設定壓力差值，自動調節輸出頻率，及時控制水泵投切，通過調整水泵啟動臺數和轉速，在精度范圍內保證管網的壓力恒定[5]。無論用水高、低峰，均可在保證供水壓力的前提下，最大限度地節省電能。

2.3 輪換作業延長設備使用壽命

PLC根據用戶設定水泵投切周期、當前壓力和可用泵數，自動進行水泵投切，即避免了水泵無效運轉或在啟動時存在較大的啟動電流對供電系統、配電設備和電機的沖擊，同時減少了無謂磨損、頻繁啟停等原因對水泵造成的損害，延長了電氣設備、水泵及管網的使用壽命，消除了水錘帶來的危害，減少了維護費用和工作量，提高了供水安全。恒壓供水泵的投切及輪換作業，按如圖3所示流程設計。

2.4 現場總線提供高效的數據傳遞

通過總線方式連接分布于現場的智能儀表、變頻器和軟起動器，實現安全、高效的數據傳遞，提升了系統的開放性、靈活性和可擴展性。

總線方式帶來了諸多好處。第一，提高了設計的彈性。通過提供網絡數據流的能力來提供無限制的IO端口，提高了互操作性和即插即用能力。第二，提高了吞吐量和可重復性。通過一根總線可獲取終端設備的全部參數信息，并可對調置參數進行備份復用；第三，降低了安裝成本。簡化配線的同時，避免了潛在的錯誤點，減少了勞動力資源，節省了安裝空間。第四，易于維護。系統基于工業網絡架構，用戶可以從任何一點接入系統，通過遠程訪問、組態、診斷或維護多層工業網絡中的設備，使得管理AB的PLC、變頻器、軟起動器等設備更為容易。參數查看、設置如圖4所示。

圖3 投切及輪換設計圖

圖4 參數查看

需要說明的是，系統通過PCB對網絡中的電磁流量計、壓力變送器及超聲波液位計智能總線式儀表進行在線診斷。

2.5 功能全面的故障報警

系統根據報警限值和事件的嚴重程度，自動以現場聲光報警、監控畫面提示信息或遠程管理計算機上發出警示音等多種方式進行全方位報警，同時授權用戶可對電機溫度、水池水位和管網壓力上、下限進行維護。

2.6 實用的報表查詢

針對管理者關心的水池進水量、各管網供水量、RO水產量和能量消耗等，系統還提供了報表查詢功能，可按時報、日報、月報等形式查看設定時段供水量。

3 運行效果

3.1 提升供水安全可靠性

由于水泵房擔負廠區的供水任務，供水量隨用水點的變化而變化，壓力勢必產生波動。如采用定速控制，必然會導致高峰供水時段管網供水壓力不足；而用水量低峰時段管網壓力過高，易造成爆管現象。采用PLC變頻調節控制后，頻率及泵的投切隨管網壓力自動控制，保證了廠區用水壓力基本恒定不變[6]。

3.2 實現高效節能

通過采用變頻調速恒壓控制，可實現在不同用水需量時有效地進行調控，避免了傳統供水方式損害設備和一定的能源損耗，降低了噸水電耗。

3.3 提高自動化水平

根據本次青海鋰業有限公司動力車間對自控子系統建設規劃初衷“分散控制、集中管理、現場無人值守”，智能變頻恒壓供水技術的應用不僅提升了水泵房自動化控制水平，而且為日后現場無人職守、安全運行提供了可能。

3.4 提升經濟效益

供水系統實現自動化控制后，各工序銜接通暢，現場設備安裝電磁流量計、壓力變送器等遠程檢測儀表，設置了聯鎖保護系統程序，提高了設備的安全性能。設備故障率環比下降5%，每年可節約一大筆備品配件費用。