恒壓供水系統(tǒng)在平臺的應用

趙超

摘要：本文通過介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在鉆井平臺供水系統(tǒng)上的應用，解決在不同的供水管網(wǎng)瞬間引起壓力變化時，自動改變泵的速度，并自動調(diào)節(jié)水泵機組數(shù)量，保證管網(wǎng)供水壓力在一定范圍內(nèi)保持恒定，以滿足不同平臺用戶關(guān)于用水的需求。

關(guān)鍵詞：PLC;恒壓供水;變頻調(diào)速;力控組態(tài)

一、 緒論

PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一種集變頻技術(shù)、電氣傳動技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)于一身地先進供水系統(tǒng)。它可用于在不同的供水管網(wǎng)瞬間引起的壓力變化時，自動改變泵的速度，并自動調(diào)節(jié)水泵機組數(shù)量，保證管網(wǎng)供水壓力在一定范圍內(nèi)保持恒定，以滿足不同用戶關(guān)于用水的需求。使用該供水系統(tǒng)，可以實現(xiàn)明顯的節(jié)能效果，從而提高平臺經(jīng)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(tǒng)以南海二號平臺海水冷卻供水系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)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(gòu)建的工控平臺，設(shè)計基于西門子PLC控制、三維力控組態(tài)的總體控制方案。

二、泵及其控制

平臺供水系統(tǒng)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(chǎn)生波動，這可能是偶然因數(shù)引起，也可能是供求關(guān)系的制約，為避免節(jié)流造成能量損失，常采用電動機調(diào)速來調(diào)節(jié)。電動機的變頻調(diào)速采用PID控制器進行調(diào)節(jié)，能夠在設(shè)定值或者反饋值發(fā)生改變時，時刻進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)形成新的穩(wěn)定狀態(tài)。

（一）水泵的調(diào)節(jié)

對供水系統(tǒng)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(tǒng)中，控制的關(guān)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(jù)實際情況的不同進行控制。電動機調(diào)速控制能夠通過改變水泵電機地轉(zhuǎn)速，進而改變水泵的工況點，使其流量與揚程適應管網(wǎng)用水量的變化，進而達到節(jié)能的效果。然而，由于速度開環(huán)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(shè)計采用閉環(huán)壓力控制。

（二）控制流程

變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下：

（l） 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的控制系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動1#變頻泵工作，根據(jù)壓力傳感器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制1#泵的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水量與用水量達到平衡狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速才會穩(wěn)定在某一定值附近，這期間1#泵工作在變頻調(diào)速運行狀態(tài)。

（2） 當用水量繼續(xù)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(wǎng)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(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)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(tǒng)繼續(xù)對水壓進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到給定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，且滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)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(wǎng)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(tǒng)將工頻泵關(guān)掉作變頻運行，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)定值。若水壓仍高于給定值，則進一步調(diào)整為僅1#泵作變頻運行。

三、恒壓供水系統(tǒng)總體設(shè)計

（一）系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

恒壓變頻供水控制系統(tǒng)主要由人機界面監(jiān)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(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。出口壓力設(shè)定值與出口壓力反饋值計算偏差作為PID調(diào)節(jié)器的輸入，從而產(chǎn)生控制信號給變頻器，變頻器改變水泵電機的頻率實現(xiàn)電機的調(diào)速最終使用戶管網(wǎng)壓力得到恒定。

（二） PLC程序設(shè)計

1 程序變量設(shè)置監(jiān)控變量統(tǒng)計

根據(jù)平臺海水冷卻工藝對海水泵的要求，統(tǒng)計監(jiān)控變量，設(shè)置程序變量。本程序的監(jiān)控變量有一個起停開關(guān)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(tǒng)的設(shè)計中，使PLC與PID控制器實現(xiàn)閉環(huán)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(zhí)行程序、PID運算控制程序、增泵程序、減泵程序等構(gòu)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?yōu)楣ゎl，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(diào)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(diào)試，注意數(shù)據(jù)類型和參數(shù)設(shè)置。

四、恒壓供水系統(tǒng)用戶界面

組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。使用力控Forcecontrol軟件，點擊“數(shù)據(jù)庫組態(tài)”，設(shè)置變量并通過STBOPC_topic數(shù)據(jù)庫與PLC連接，建立數(shù)據(jù)庫。在力控窗口中新建一個窗口，組建監(jiān)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(tǒng)調(diào)試及問題解決

系統(tǒng)達到設(shè)計要求，通過組態(tài)監(jiān)控界面可以直觀形象的觀察到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，取得了預期效果。在此過程中，出現(xiàn) PID模塊沒有輸出值，經(jīng)過仔細檢查后，是PID的設(shè)置問題。通過對模擬數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與處理，得出了系統(tǒng)的偏差帶是在1.082V～2.76V，所以為了PID環(huán)節(jié)能夠正常工作，設(shè)定值必須大于4.282V，但是考慮到傳感器實際值，故設(shè)定值的范圍確定為4.3～10V。

六、總結(jié)

本文以平臺恒壓供水為背景做電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。確定了以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)能夠最大程度滿足平臺需要，恒壓供水水泵電機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可以根據(jù)平臺用水量的變化調(diào)節(jié)運行參數(shù)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(tǒng)設(shè)計實例. 機械工業(yè)出版社. 2010.

[2] 王鋒. 變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應用. 機電信息. 2011.