現代水廠自動化綜合控制系統結構設計

陸細華

摘要 本文主要就現代水廠自動化綜合控制系統結構設計相關問題進行了介紹,在分析水泵起停方式和恒壓供水相關問題基礎上,對系統進行了總體設計,并對其中主要設備選用進行了詳細分析。

關鍵詞 水廠自動控制技術;體系設計;設備選用

中圖分類號 TP273文獻標識碼 A文章編號1674-6708(2009)05-0072-02

1 系統總體設計

1.1 水泵起停方式

1) 直接起動。籠型交流異步電動機直接起動時將產生很大的起動電流,是電動機額定電流的5～8倍,轉矩也會激增,僅適用于小功率電動機。

2)定子串電阻或電抗降壓起動。定子串電阻或電抗降壓起動方式適用于輕載起動,能起到減小起動電流和增加起動平穩性的作用,但因起動損耗較大,經濟性差,只在電機容量較小時使用。

3)自藕變壓器降壓起動。自藕變壓器降壓起動有過載和失壓保護,可以減小電動機電流對電網的影響,起動轉矩較大,其缺點是結構復雜、體積大、故障率高、檢修不方便、價格較高等。

4)星-三角起動。星-三角降壓起動方式適用于正常運行時定子繞組△接的異步電動機。在電動機起動過程中,星-三角轉換的同時將產生一個尖峰電流,會影響供電電源和電動機,這種起動方法常用于空載或輕載起動。

5)軟起動器起動。軟起動器是指可控硅降壓軟起動器,其原理是利用可控硅的可控整流作用,通過改變可控硅的控制角,使電動機的電壓按一定的規律升為全壓后,短路旁路接觸器,撤去可控硅的控制信號,即關斷可控硅,軟起動器即可退出運行,其用于水泵起動中,可以有效避免水錘效應的產生。

6)變頻起動。變頻起動方案是用變頻器帶動電機從零速開始起動,逐漸升壓升速,直至達到其額定轉速。采用電壓/頻率按比例控制方法,不會產生過電流,可提供等于額定轉矩的起動力矩,變頻起動有恒定的電壓-頻率關系,對機器、負載及電網的沖擊很小,可以調速,但價格高,存在電磁兼容問題,適合于需重載或滿載起動的設備。

1.2 恒壓供水

實現恒壓供水就是要保持供水壓力基本穩定,也就是要調節供水水量。調節水量可以通過以下兩種方法:1)水泵恒速轉動,通過調節閥門的開度來調節供水水量;2)閥門開度一定,通過調節水泵轉速繼而調節供水水量。

1.3 系統總體設計

1)井群系統:對水泵的控制分為三種方式:手動、水源地值班室控制及遠程。手動控制即水泵的啟停完全由人工現場控制;水源地值班室控制即水泵的啟停受水源地值班室控制系統控制;遠程即水泵的啟停受遠程中心控制系統的控制。

2)水廠系統:包括水廠的兩個清水池、加氯車間、輸水泵房。水源地來水蓄積在兩個清水水池內,每個清水水池均有一個液位計檢測水池水位。井群水泵的啟停以水廠蓄水池的水位為目標。主要包括以下幾個單元:(1)水廠參數采集系統:采集水廠中壓力和流量等參數;(2)泵房控制系統:控制水泵實現恒壓供水;(3)數據通訊系統:負責和調度中心交換數據。

3)管網測壓系統:在整個管網上分布有若干個測壓點,這些點主要負責采集當地的水壓,部分還需要采集水流量,這些數據通過通訊網絡傳送給供水調度中心。

4)調度中心:這是整個供水系統的操作、維護、處理、統計、分析和監管的中心,集中管理和指揮整個監控系統的運行。在調度中心運行的監控軟件是整個供水監控系統的靈魂。監控軟件要實現同各個現場設備的通信,把系統采集的各種數據如壓力、流量等經過計算后以數據或圖表的方式顯示,同時還要故障報警、發出相應聲光報警信號。

2 主要設備選擇

2.1 可編程控制器PLC

德國西門子公司的S7-200系列PLC是一種面向微型及小型應用的PLC。它以緊湊的結構、良好的擴展性、強大的指令功能、低廉的價格,已成為當代各種控制工程的理想控制器。S7-200系統具有強大而靈活的通訊能力。此次設計中使用的CPU模塊為CPU226和CPU224,模擬量擴展模塊為EM235和EM231,數字量擴展模塊為EM223。

2.2 RTU

RTU (Remote Terminal Unit )是一種安裝在遠程現場的測控單元裝置,負責對現場信號、工業設備的監測和控制。RTU作為遠程監控的一個平臺,硬件上可以由PLC或者單片機開發的控制設備和通訊部件(無線電臺、GPRS設備)組成,主要實現兩個功能:一是數據采集,把現場儀表輸入的電信號轉化成數字信息;二是數據通信,把采集的數據通過通訊網絡傳送到監測中心的計算機中,完成和上位機或其它設備的數據通信。

本系統中,井群控制系統和管網測壓點都使用了RTU。測壓點主要是利用RTU模擬量輸入通道將管網壓力信號進行采集,必要時還采集了部分管網節點的流量信號。在井群系統中,每一個單井控制部分使用了一套RTU設備,主要是利用其模擬量輸入通道采集水井壓力、液位信號,并將這些信號傳送給供水調度中心。同時,接收供水調度中心或者水源地值班室下達的水泵啟停命令,利用其數字量輸出通道控制水泵的啟停,并將水泵接觸器的觸點作為水泵啟停的反饋信號,利用其數字量輸入通道反饋至供水調度中心。

2.3 EDA檢測模塊

EDA模塊是一個智能型三相電參數綜合采集模塊,通過此模塊就可以方便的檢測三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數、累計電量、電源頻率等電參數。EDA模塊采用高性能嵌入式處理器,利用三表法準確測量三相三線制或三相四線制交流電路中的電參數,接線簡單,操作靈活,其輸入為三相電壓和三相電流,輸出是一個智能化通訊接口。

2.4 軟起動器

軟起動器又稱為智能馬達控制器或固態控制器,其基本原理是利用可控硅元件組成可控硅橋式電路,電機的每一相接一對背靠背連接的可控硅元件,通過微處理器的運算來控制起動單元和電動機主要工作參數并不斷進行優化,從而降低了電動機起動給電網的沖擊以及傳動機械的沖擊。根據供水系統控制要求,對井群水泵只要求合理啟停即可,不需要對其進行調速控制,因而水泵的啟停選用軟起動方式來實現。

2.5 變頻器

變頻器的作用是將頻率固定(通常為工頻50Hz)的交流電(三相的或單相的)變換成頻率連續可調(多數為0～400Hz)的三相交流電源。這此設計中采用的是西門子MICROMASTER430系列75kW變頻器,此變頻器由微處理器控制,并采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)作為功率輸出器件,該產品具有很高的運行可靠性和通用性。

2.6 液位檢測,壓力檢測及流量檢測

液位變送器的工作原理是利用靜壓法測量液位。壓力檢測則是指利用不銹鋼膜片感知水壓力,通過硅油傳輸到硅油片的一側,同時參考壓力(大氣壓、密封壓、絕壓)作用于膜片的另一側,壓力差產生一個應力場,它使硅膜片一側拉伸,分別處于壓縮區的兩個應變電阻和拉伸區兩個應變電阻感受壓力變化引起阻值變化。根據測量要求,從儀表產品的實際情況出發,綜合地考慮測量的安全、準確和經濟性,并根據被測流體的性質及流動情況確定流量取樣裝置的方式和測量儀表的型式為超聲波流量計。

3 結論

在現代化的大型水廠中,除了采用先進的設備和控制技術對廠區內部進行有效控制和管理外,還要求實現對一個地區或城市整個供水系統的綜合自動化管理。本文主要探討了現代水廠自動化綜合控制系統結構設計相關技術問題,為相似設計提供技術支持。

參考文獻

[1]李德剛,宋欲曉. 工業控制機在供水廠自動化改造上的應用[J]. 基礎自動化,1999,03.

[2]安鵬洲,李秋涼. 模糊控制技術在發電廠給水自動控制系統中的應用[J]. 發電設備,2002,04.