泵站中PLC恒壓供水控制技術的節(jié)能應用

韓耀明

引言

曙三水源站日平均外輸水量500-800m3。站內只有一臺4#外輸泵（型號：125SS39A，流量99m3/h）變頻運行，該泵平均運行頻率為44Hz。絕大多數(shù)時間，外供水量和所需揚程均小于最大工況，導致站內平均能耗偏高，不符合水源站經濟運行要求。

1.前期準備

為了調整水源站運行方式，降低運行能耗，實現(xiàn)PLC變頻恒壓控制兩臺泵切換運行，需要在外輸泵房新安裝一臺水泵?？紤]到最小日外輸量的平均值，再根據(jù)用戶用水量與相應的管網水壓變化情況，選擇了合適的泵型，新泵型號為：ISG80-160，流量50m3/h。

考慮到使用變頻恒壓供水系統(tǒng)后，系統(tǒng)將會自動啟停泵。因此，新泵和原泵的出水管路上，安裝了DN100和DN150的截止閥。為了保證系統(tǒng)正常工作，對原有4#泵進口閘閥的閘板進行了加固處理。同時，為了便于觀察數(shù)據(jù)，新泵出水口安裝了普通壓力表。

2.PLC控制恒壓供水方案

本設計是以水源站供水系統(tǒng)為控制對象，使用PLC控制結合變頻技術，設計一套恒壓供水系統(tǒng)，并保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。

PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有可編程控制器（及擴展模塊）、變頻器、壓力變送器、水池液位計和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。本設計中有1個清水池，2臺水泵，采用部分流量調節(jié)方法，即2臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行。PLC根據(jù)管網壓力自動控制兩個水泵切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值進行PID運算，輸出變頻信號，調節(jié)流量，使供水管網壓力恒定。

根據(jù)以上控制要求，確定了“通用PLC+變頻器+壓力傳感器（+人機界面）”恒壓控制方案。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。

3.系統(tǒng)硬件選型

系統(tǒng)的主要硬件設備包括以下幾部分：PLC及其擴展模塊、變頻器、壓力變送器、液位變送器等。

3.1 PLC及其擴展模塊

PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。本方案PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。

3.2壓力變送器的選型

壓力變送器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，壓力變送器是將水管中的水壓變化轉變?yōu)?-5V或4-20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊（A/D模塊）的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4-20mA輸出壓力變送器。根據(jù)以上的分析，本設計中選用rosemount1151壓差變送器。

3.3液位變送器選型

考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設計要求貯水池水位區(qū)間2.0m-3.9m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位信號轉換成標準電信號（4-20mA電流），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC系統(tǒng)。綜合以上因素，本設計選擇沈陽天維自動化儀表的TW2100液位變送器。其量程為6m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量。

4.系統(tǒng)的軟件分析與設計

硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結合泵站的控制要求，對泵站軟件設計需要實現(xiàn)以下功能。

4.1系統(tǒng)恒壓要求

根據(jù)經驗數(shù)據(jù)，要保證管網水壓0.26MPa恒定。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。

4.2兩臺泵自動切換運行

大部分時間，小泵運行即能滿足用戶需求。為了保證用戶的水壓和水量要求，要求兩臺泵自動切換運行。當變頻器達到相應的閾值時，運行泵自動切換，變頻器始終拖動運行泵工作。

4.3安全運行

為了保證水泵的安全運行，防止抽空，有必要對水池水位進行報警和必要的處理。因此設計要求：水位低于2m時，自動切換時相應的水泵不能啟動，小泵降頻至15Hz運行;水位低于0.2m時，泵機組將會停運。

5.系統(tǒng)調試

初期編程思路是“用流量來控制泵的頻率、頻率控制泵的啟?！薄Ｒ虼?，在程序最初設定的頻率值為小泵48Hz和大泵38Hz時互相切換，中間延時時間為1分鐘。但在實驗中我們發(fā)現(xiàn)因為大小泵峰值流量差別太大導致系統(tǒng)頻繁切換水泵。例如當小泵運行時，瞬時流量達到44m3/h，此時頻率為48Hz，延緩時間后自動切換到大泵以40.5HE運轉，而因大泵低于38Hz，按照程序又自動切回到小泵運行。大小泵切換時，外輸壓力下降，小泵就會在高頻狀態(tài)下運轉，頻率一旦超過限定值則又會切換，周而復始，從而導致大小泵來回振蕩運行。

經過思考，上述問題的原因是切換泵的頻率值差距過小，延緩時間較短。為此對程序進行修正，保證在節(jié)能有效區(qū)內拉大泵啟動頻率值之間的差距，重新規(guī)定切換值分別為48Hz和38Hz;同時也將跳轉延遲時間增大到到5分鐘，從而避免了因管網壓力波動頻繁造成的系統(tǒng)誤操作，增強了PLC恒壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6.運行能耗分析

控制系統(tǒng)的參數(shù)調試確定后，PLC控制系統(tǒng)正式投用。實驗期間詳細記錄了系統(tǒng)投用以來曙三水源站每天的外輸量、用電量和單耗情況，與上一年同期做了對比。

從記錄數(shù)據(jù)得到，水源站噸水用電量（單耗）從0.57 Kwh/m3降到了0.42 Kwh/m3，單耗下降了26.3%。由此可見，PLC恒壓供水控制系統(tǒng)的節(jié)能效果非常顯著。

7結論

實驗過程中得到以下結論：

（1）曙三水源站通過PLC模塊編程，結合PID閉環(huán)控制，實現(xiàn)大小泵根據(jù)壓力和頻率自動切換運行。PLC技術的應用，極大減輕站內員工的工作量;

（2）曙三水源站通過對兩臺水泵進行PLC技術變頻恒壓供水技術改造，并在現(xiàn)場成功應用，使水源站供水單耗明顯降低;

（3）PLC技術應用在外輸量波動較大的水源站，輔以合理的泵型，該系統(tǒng)節(jié)能效果會更加明顯，因此具有廣泛的實用性和推廣性;

（4）PLC技術的可編程性還可以應用在更多更復雜的供水企業(yè)站內工藝流程中，可以完全滿足供水泵站自動化經濟運行要求。