基于PLC的變頻恒壓供水系統在某水廠的應用

聶勝軍，郭來功，朱明智，馬銀鑫

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著國民經濟的飛速發展，圍繞煤化工方面的工業產品需求日益增長，而各種煤化工產品的生產過程都伴隨著水的大量消耗.這些年來，水務公司都面臨著擴充產能，改造老舊供水系統，以填補工廠的用水缺口.只要稍微查看相關資料，不難發現，由于變頻器以及PLC設備的技術趨于成熟，選擇了加裝變頻器，改造老式PLC控制柜幾乎成為供水系統改造的首選.問題在于供水的水量是動態變化的，而出水管道的壓力需恒定.基于PLC的變頻恒壓控制方式就可以很好地解決這個問題，這也是當今主流供水控制系統選擇的主要方式[1].傳統的供水方案大多是恒速泵供水，與之相比，此方案具有自動化程度高、節能高效、延長水泵電機使用壽命等優點.本文以淮北某水廠的送水泵房改造設計方案為例，安排了基于PLC的變頻器控制多臺水泵，可以遠程自動控制，切換運行方式，以實現恒壓供水.

1 變頻恒壓供水系統

基于PLC的變頻恒壓供水系統主要由吸水井、水泵機組、變頻器、PLC控制器、壓力傳感器及供水管網組成.前面由反應沉淀池加藥反應沉淀，經濾池過濾后的水進入清水池，再由吸水井接入送水管道.一般采用兩臺變頻泵和兩臺工頻泵進行送水工作，工作策略是“三用一備”.查看4臺送水泵的電機銘牌，可以得到功率都是220 kW，揚程為55 m，轉速為1 480 r/min，流量為1 120 m3/h.

變頻恒壓供水系統的設計結構如圖1所示.出水管道壓力值不停地反饋到PLC控制器，PLC控制器再將出水壓力值與設定值進行比較得出偏差值，再通過PLC使用PID控制算法對變頻器的輸出頻率調節，從而控制水泵電機的轉速，實現實時調節供水管網水壓，保持出水壓力恒壓[2].

圖1 變頻恒壓供水系統

2 供水系統硬件設計

2.1 PLC控制器硬件設計

PLC選用的是西門子S7-1500系列產品.DI、DO模塊輸入、輸出信號為DC24V信號，強電與弱電采取中間繼電器進行隔離，中間繼電器帶指示燈和強制按鈕.AI、AO模塊負責信號采集和輸出，設計的電流信號為4～20 mA.PLC預留RS485接口，信號線采用端子排中轉的方式接入PLC柜，不直接接入PLC模塊端子.1#泵、2#泵都需要工頻、變頻切換運行，3#、4#泵只需要工頻運行，需要PLC的6個輸出信號控制，而變頻器的極值輸出頻率的檢測信號需要一個輸入點.當輸出管網的壓力處于上下限位置，傳感器分別輸出開關信號進PLC兩個輸入點，與變頻器的極值輸出頻率的檢測信號一起，再經過PLC控制水泵的變頻與工頻轉換，同時關閉工頻泵的運行[3].此系統設計的輸入/輸出點數量共有20個，選擇西門子的PLC是因為其有工作穩定、在潮濕環境可靠性高等優點.詳細的I/O分布情況如表1所列.

表1 PLC控制器I/O分配表

2.2 變頻器硬件設計

由于水泵電機的功率為220 kW，所以選用變頻器的輸出功率為250 kW，保證設備穩定高效的運行.型號為英威騰(invt)GD270-250-4，額定電壓380 V，可輸出460 A電流，空間矢量控制模式，變頻器頻率設定范圍0～50 Hz，具有軟啟動、過流/過壓/過載、欠壓、缺相等保護功能.基本控制回路接線圖如圖2所示，AI1電壓電流可選0～10 V，0～20 mA，AI2的是-10～+10 V電壓，AI1電壓或電流輸入由跳線J11設定.AO0電流電壓的可選范圍與AI1相同，AO0和AO1電流或電壓輸出由跳線J7和J6設定.RO1表示繼電器輸出，RO1A為常開觸點，RO1B為常閉觸點，RO1C為公共端.GND表示+10.5 V的參考零電位，PE為接地端子，PW表示由外部向內部提供輸入開關量工作電源，COM為公共端.S1～S4是開關量輸入.24 V表示變頻器提供用戶電源，最大輸出電流200 mA.HDIA除去開關量輸入功能外，還可作為高頻脈沖輸入通道.

圖2 基本控制回路接線

2.3 壓力傳感器設計

翻閱泵站值班記錄，供水管道的水壓基本沒超過0.5 MPa，所以本設計使用的水壓傳感器量程為0～1 MPa，檢測精度范圍為±0.01 MPa.將0～1 MPa的壓力范圍與0～10 V的電信號對應，方便信號處理.

2.4 系統主回路接線圖

根據系統設計方案，結合前面的各種硬件選型，系統主回路的接線方式如圖3所示.兩臺水泵(1#，2#)分別通過兩個接觸器與變頻器和主電路相連接，有變頻、工頻兩種運行狀態[4].另外兩臺水泵直接通過接觸器接入主電路，只進行工頻運轉.QF1表示空氣開關，控制主電路回路.QF2、QF3是接在變頻器的線路上，作用是分別控制對應的變頻器，QF4、QF5直接從主回路下來，作用是分別控制兩臺工頻水泵.熱繼電器FR是具有延時動作的限流保護器件，4臺水泵電機分別對應FR1～FR4，起到過載保護作用.

圖3 系統主回路接線圖

3 供水系統的軟件設計

系統對供水管道處反饋的水壓等信號分析處理，調整投入的水泵及其工作狀態，同時對故障信號進行研判處理[5].系統軟件設計流程如圖4所示,整個軟件系統的具體運行過程如下：

圖4 系統軟件設計流程圖

(1)初始化程序.系統默認狀態下，工頻水泵處于投入一臺，另外一臺備用狀態；

(2)電路故障和急停程序.開始運行時檢查電路是否正常，如果出現問題，立即緊急停止；

(3)遠程/手動切換程序.在初始化程序中預先設置，PLC開始執行時接收中控室遠程還是手動控制指令；

(1)部分高校創新創業實驗班課程的體系安排和普通本科高校課程差別不大，尤其是在通識課程的設計上，難以做到有針對性地培養人才。

(4)故障處理程序.當變頻器出現故障時，系統自動轉換進入工頻運行模式，兩臺變頻水泵直接工頻運轉.當水泵電機出現故障時，空氣開關和熱繼電器對電機開始保護.如果一臺水泵電機出現故障，則另外一臺備用水泵立即投入工作，保障系統最低供水需求，并且發出報警信號；

(5)增加/減少變頻泵程序.當出水管道壓力處于欠壓時，增加啟動變頻水泵[7].如果變頻水泵都投入工作時，水壓還是未能達到供水的最小壓力，則可調節切斷變頻器控制，直接軟啟動工頻運轉，待達到出水壓力時，再切換為變頻控制.當出水壓力處于超壓時，則可以減少變頻泵的投入.如果壓力還是超過供水的最大壓力，可以將工頻水泵移除，待水壓正常后，再投入運轉.

4 系統設計理論

通過在這個水廠一段時間的學習調查，可以得出每日平均用水需求曲線.由于工業生產的特殊性，用水的高峰時段集中在晚上23:00之后，一直持續到早上8:00.相反在8:00到18:00這段時間的用水量較少.可以根據用水情況，在不同的供水時段改變供水壓力、流量，從而有效減少資源的浪費.在系統中，采用PID控制算法對供水管道的出水壓力進行調節，可以將出水管道口的壓力變化系統看作是一階慣性環節,具體的調節原理如圖5所示，供水系統運行過程中，壓力傳感器將檢測到的供水管道信號反饋給變頻器，變頻器初始設定的值和反饋值之間產生的偏差作為PID調節的輸入信號，處理后改變變頻器的輸出頻率，實現恒壓控水的目的[8].

圖5 PID調節原理圖

從圖5可以分析出，設定壓力與實際壓力之間的偏差為主要控制對象，其關系可表示為(1)：

e(t)=y(t)-r(t).

(1)

PID控制器主要作用是使e(t)的值趨于零，這樣可以最大程度的消除誤差[6].但實際中誤差難以避免，只能不斷提高控制算法的精度，使系統穩定運行.PID調節的過程大致有以下3個狀態：①供水穩定時，出水管道壓力不變，壓力反饋值y(t)與設定值r(t)偏差為0，促使PID控制器的輸出增量為零，變頻器的輸出頻率不發生改變，系統在一個穩定狀態下運行;②供水需求上升時，出水管道壓力變小，壓力反饋值y(t)下降，與設定值r(t)的偏差小于0，這時候PID控制器的輸出增量為正，輸出增量傳遞到變頻器，變頻器開始提高輸出的頻率，從而控制水泵電機的轉速加快，增加供水流量，提高管道壓力，系統處于一個新的平衡;③供水需求下降時，出水管道壓力變大，壓力反饋值y(t)上升，與設定值r(t)的偏差大于0，此時PID控制器的輸出增量為負，輸出增量傳遞到變頻器，變頻器開始降低輸出的頻率，從而控制水泵電機的轉速減慢，減少供水流量，管道壓力得到有效降低，系統又達到一個新的平衡狀態.

5 結語

本系統基于PLC的變頻恒壓供水系統，融合了PID調節算法，對水務公司供水系統進行了一些簡單設計.針對水務公司的實際情況，改造后的供水系統具有使用方便、性能可靠、系統穩定、無人化程度高等優點.

(2)由于變頻器的使用，大大減少了水泵的啟停次數，同時啟停也可做到軟啟動和軟停止，既保護了水泵的機械性能、減少了疲勞損壞，也避免了快啟快停產生的水錘效應.

(3)采用PID調節器，使加減泵的過程更加平穩，擾動更小.系統是閉環控制系統，初始的設定壓力可以根據用水實際調節，與出水管網產生的偏差波動范圍更小，有利于控制系統的穩定運行.