恒壓供水系統在平臺的應用

趙超

摘要：本文通過介紹變頻調速恒壓供水系統在鉆井平臺供水系統上的應用，解決在不同的供水管網瞬間引起壓力變化時，自動改變泵的速度，并自動調節水泵機組數量，保證管網供水壓力在一定范圍內保持恒定，以滿足不同平臺用戶關于用水的需求。

關鍵詞：PLC;恒壓供水;變頻調速;力控組態

一、 緒論

PLC變頻調速恒壓供水系統是一種集變頻技術、電氣傳動技術和現代控制技術于一身地先進供水系統。它可用于在不同的供水管網瞬間引起的壓力變化時，自動改變泵的速度，并自動調節水泵機組數量，保證管網供水壓力在一定范圍內保持恒定，以滿足不同用戶關于用水的需求。使用該供水系統，可以實現明顯的節能效果，從而提高平臺經濟效益，這在能源有限的平臺上顯得尤為重要。本文中，PLC變頻恒壓供水系統以南海二號平臺海水冷卻供水系統為研究對象，根據平臺對冷卻海水的工藝流程及控制要求;學習變頻器的工作原理、性能特點及使用方法;使用西門子構建的工控平臺，設計基于西門子PLC控制、三維力控組態的總體控制方案。

二、泵及其控制

平臺供水系統運用最多的原動機是電動機，多采用三相異步電動機。供水管道的輸送量有時會產生波動，這可能是偶然因數引起，也可能是供求關系的制約，為避免節流造成能量損失，常采用電動機調速來調節。電動機的變頻調速采用PID控制器進行調節，能夠在設定值或者反饋值發生改變時，時刻進行調節，使系統形成新的穩定狀態。

（一）水泵的調節

對供水系統的控制，最終目標是為了滿足平臺不同用戶對供水流量的需求。因此，在供水系統中，控制的關鍵對象是流量。而流量的大小又取決于揚程，實際運行中用水量的變化將導致水泵流量的跟隨變化，揚程也因水位、流量的變化而變化。因此，水泵不能一直工作在一個工況點，必須根據實際情況的不同進行控制。電動機調速控制能夠通過改變水泵電機地轉速，進而改變水泵的工況點，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，進而達到節能的效果。然而，由于速度開環控制，升力減小，流速降低，往往不能滿足實際工程需要，所以本設計采用閉環壓力控制。

（二）控制流程

變頻恒壓供水系統控制流程如下：

（l） 系統通電，按照接收到有效的控制系統啟動信號后，首先啟動變頻器拖動1#變頻泵工作，根據壓力傳感器測得的用戶管網實際壓力和設定壓力的偏差調節變頻器的輸出頻率，控制1#泵的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量達到平衡狀態時，轉速才會穩定在某一定值附近，這期間1#泵工作在變頻調速運行狀態。

（2） 當用水量繼續增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網的實際壓力仍然沒有達到給定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，在變頻循環式的控制方式下，系統將在PLC的控制作用下自動投入2#水泵作變速運行，同時變頻泵作工頻運行，系統繼續對水壓進行閉環調節，直到水壓達到給定值為止。如果用水量繼續增加，且滿足增加水泵的條件，將繼續發生轉換，將四臺水泵均直接投入到工頻運行。

（3） 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的實際水壓仍高于給定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統將工頻泵關掉作變頻運行，恢復對水壓的閉環調節，使壓力重新達到設定值。若水壓仍高于給定值，則進一步調整為僅1#泵作變頻運行。

三、恒壓供水系統總體設計

（一）系統總體控制結構設計

恒壓變頻供水控制系統主要由人機界面監視器、變頻器、PLC、水泵機組以及泵出口壓力傳感器一起組成一個完整地閉環調節系統。出口壓力設定值與出口壓力反饋值計算偏差作為PID調節器的輸入，從而產生控制信號給變頻器，變頻器改變水泵電機的頻率實現電機的調速最終使用戶管網壓力得到恒定。

（二） PLC程序設計

1 程序變量設置監控變量統計

根據平臺海水冷卻工藝對海水泵的要求，統計監控變量，設置程序變量。本程序的監控變量有一個起停開關信號、一個壓力反饋信號、一個變頻控制信號和八個工作方式選擇信號，在程序編寫中還需要若干中間變量。

2? PLC程序編寫過程

在供水系統的設計中，使PLC與PID控制器實現閉環控制保證了恒定的恒壓供水。PLC主程序主要由初始化程序、水泵機組選擇程序、水泵機組執行程序、PID運算控制程序、增泵程序、減泵程序等構成。

需要指出當變頻器輸出頻率達到水泵電機工作上限50Hz和頻率下限20Hz時，為避免水波引起的誤差，采用TCN延時1秒。 增泵的條件是指1#泵在變頻時，頻率超過50Hz，同時又滿足延時條件則增泵;下一步增泵是在，1#變為工頻，2#變頻時，頻率再次超過50Hz，同時又滿足延時條件，則增泵，以此類推。減泵的條件是指1#、2#、3#泵在工頻時，4#在變頻時，且頻率低于20Hz，同時又滿足延時條件則減泵;下一步減泵是在，1#、2#工頻，3#變頻時，且頻率低于20Hz，同時又滿足延時條件則減泵，以此類推。

3 PLC程序調試

在STEP7中編好程序后，將程序下載到相應PLC中運行程序進行程序的調試，注意數據類型和參數設置。

四、恒壓供水系統用戶界面

組態監控系統軟件，是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。使用力控Forcecontrol軟件，點擊“數據庫組態”，設置變量并通過STBOPC_topic數據庫與PLC連接，建立數據庫。在力控窗口中新建一個窗口，組建監控畫面，添加趨勢曲線、報表、報警界面等，并制作動畫，如圖4.1。

五、系統調試及問題解決

系統達到設計要求，通過組態監控界面可以直觀形象的觀察到系統的運行狀態，取得了預期效果。在此過程中，出現 PID模塊沒有輸出值，經過仔細檢查后，是PID的設置問題。通過對模擬數據的統計與處理，得出了系統的偏差帶是在1.082V～2.76V，所以為了PID環節能夠正常工作，設定值必須大于4.282V，但是考慮到傳感器實際值，故設定值的范圍確定為4.3～10V。

六、總結

本文以平臺恒壓供水為背景做電氣控制系統的設計。確定了以變頻器為主體構成的恒壓供水系統能夠最大程度滿足平臺需要，恒壓供水水泵電機的轉速控制系統可以根據平臺用水量的變化調節運行參數的變化，使得在用量變化的時候，仍能保持恒定的壓力，滿足平臺用戶的用水要求。

參考文獻：

[1] 袁任光. 可編程控制器選用與系統設計實例. 機械工業出版社. 2010.

[2] 王鋒. 變頻器在恒壓供水系統中的應用. 機電信息. 2011.