PLC變頻恒壓供水技術在水廠的應用

葉德武

(惠州市惠陽區自來水發展總公司，廣東 惠州 516000)

PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結合，根據系統狀態可快速調整供水系統的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統的工作穩定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節能效果。某水廠工程規模為24萬噸/日，目前為12萬噸/日。供水泵房安裝臥式離心泵6臺，其中4臺250kW、380V水泵，2臺315kW、380V水泵，每臺泵出口裝有一個電動蝶閥。出廠主水管裝有壓力傳感器。供水管網安裝壓力測量裝置，通過無線數傳設備傳至中控室。

1 變頻恒壓供水技術

變頻恒壓供水系統；它主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統的運行。目前恒壓供水調速系統正向著高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發展。追求高度智能化、系列化、標準化是未來供水設備適應城鎮建設中成片開發智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。

在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程。早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。雖然單泵產品系統設計簡易可靠，但單泵電動機深度調速造成水泵、電動機運行效率低，而多泵型產品的投資更為節省，運行效率也高，被實際證明是最優的系統設計，因此很快發展成為主導產品。

2 變頻恒壓供水控制方式

2.1 帶PID回路調節器和/或PLC的控制方式

在該方式中，變頻器的作用是為電動機提供可變頻率的電源，實現電動機的無級調速，從而使管網水壓可控。傳感器是檢測管網水壓；壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值；壓力設定信號和壓力反饋信號輸入PLC或PID回路調節器經計算后，輸給變頻器一個頻率控制信號。

由于變頻器的頻率控制信號是由PLC或PID回路調節器給出的，所以對PLC來講，就要有模擬量輸入/輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的PLC價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的PLC，則要在其數字量輸出口端另接一塊PWM調制板，將PLC輸出的數字量信號轉變為模擬量。這樣，PLC的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的PLC和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的PLC差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。

2.2 新型變頻調速供水設備

針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，國內外不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新產品，如華為的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切換卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB 公司的 ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。這些產品將PID調節器以及簡易PLC的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對PLC存儲容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑、穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失真，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略高一點，但功能卻強很多，所以采用帶有內置PID功能的變頻器生產出的恒壓供水設備，在滿足工藝要求的情況下應優先采用。

2.3 供水專用變頻器

供水專用變頻器是將普通變頻器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一體化的系統，內置供水專用PID調節器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環控制系統。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調節器輸入口，而壓力設定既可使用變頻器的鍵盤設定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設定多段壓力運行，以適應供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力。面板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)。

系統供水有兩種基本運行方式：變頻泵固定方式和變頻泵循環方式，固定方式可選擇"先開先關"和"先開后關"兩種水泵關閉順序，循環方式以"先開先關"的順序關泵。

3 水廠變頻恒壓供水控制系統

3.1 系統結構

系統主要由ABB公司的PLC控制器、變頻器，施耐德公司的軟起動器、電機保護器、

圖21 系統結構示意圖

水廠二級泵系統有250kW水泵電機4臺，315kW水泵電機2臺，系統采用一臺變頻器控制多臺水泵以循環方式工作，6臺電機均可設置在變頻方式下工作。中心控制器為PLC，以設定壓力和反饋壓力為控制目標，以PID為控制算法組成閉環控制系統。

系統實時采集水網參數、電網參數、電機溫度、設備運行狀態，達到優化運行、可靠保護、確保供水、節約電耗。以清水池水位、出口總管網水壓為控制目標，以供水時間、季節為參考值，合理組合開泵臺數，減少開停泵次數，達到穩定水壓、節電供水之目的。

系統為每臺電機配備電機保護器，是因為電機功率較大，在過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機空轉等情況下為確保電機的良好運轉，達到延長電機使用壽命的目的。

系統配備水位顯示儀表，可進行高低位報警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質監控，同時也保護電機正常運轉工況。配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進行出水量的統計和每臺泵的出水流量監控。

3.2 系統功能

水廠變頻恒壓供水控制系統是通過主水管網壓力傳感器測到的管網壓力，經PLC的PID運算后，將控制信號送至變頻器，調節變頻器的輸出頻率，實現管網的恒壓供水。為防止水錘現象的產生，泵的起停將聯動其出口閥門。控制系統參見圖2。

圖2 控制系統示意圖

供水系統可實現以下功能：

(1)全自動平穩切換，恒壓控制

①自動投切泵

泵的自動投切只有在PLC全自動控制方式下才能實現。變頻器輸出頻率上、下限設為50Hz、30Hz。當變頻器頻率升至50Hz或降至30Hz，管網壓力仍不能滿足要求時，PLC將執行投/切泵程序。

當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩定運行；當用水量大到變頻器頻率升至50Hz也不能保證管網的水壓時，控制器的壓力下限信號與變頻器的上限信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩定。若兩臺泵運轉仍不能達到管網的壓力要求時，則依次將變頻工作狀態下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。

當用水量減小時，首先表現為變頻器已工作在最低速信號有效（即輸出頻率為30Hz），這時壓力上限信號如仍出現，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用主頻器恒壓供水。另外，每臺泵的電機累計運行時間可顯示。

②起動程序

先檢測清水池的水位和水泵真空度，如果水位達到起泵水位，水泵真空度已形成，則起動起泵程序，起動水泵。若水泵真空度不足，則先起動真空泵抽真空，如果真空度形成，同時清水池的水位也達到起泵水位，則可以開閥，起動水泵。如果抽真空失敗或清水池的水位低于低水位，則關閉真空泵（只有抽真空失敗時），停止起泵并報警。

③投泵程序

當變頻器升至50Hz，而管網壓力仍低于壓力設定值時，PLC將開始計時，在規定時間內，若管網壓力達到設定壓力值，則PLC放棄計時，繼續變頻調壓；若管網壓力仍低于設定壓力值，PLC自動將原工作在變頻狀態下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩定。

④切泵程序

當變頻器降至30Hz，而管網壓力仍高于壓力設定值時，PLC將開始計時，在規定時間內，若管網壓力降低至設定壓力值，則PLC放棄計時，繼續變頻調壓；若管網壓力仍高于設定壓力值，PLC將切除恒壓泵，同時變頻器頻率將升高，以滿足管網壓力要求；若管網壓力仍高于壓力設定值，PLC將會依次切除恒壓泵，直至管網壓力達到設定值。

⑤投切順序

泵的投切將遵循"先投先切、先切先投"的切換控制方式。即水泵在切換時，PLC根據其運行狀況，將其自動排列至運行隊列或待運行隊列中，在下次切換時，PLC將根據其排列順序，自動投切水泵。當水泵出現故障時，PLC自動將其從切換隊列中退出，以便維修人員對其進行維修，而系統仍在全自動控制方式下運行，實現變頻恒壓變流量供水。

⑥停泵程序

停泵時，先將出水閥門關閉，然后停泵。

(2)半自動運行

當PLC出現問題時，自動控制系統失靈，這時候系統工作處于半自動狀態，即一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。

(3)手動當壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，6臺泵可分別以手動工頻方式運行。

結語

綜上所述，采用PLC和變頻器結合，系統運行平穩可靠，實現了真正意義上的無人值守的全自動循環切換水泵、變頻運行，保證了各臺水泵運行效率的最優和設備的穩定運轉啟動平穩，消除了啟動大電流沖擊，由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應。

[1]張新娟，梁鎮杰.基于PLC的恒壓供水控制系統[J].職業，2010(3).

[2]盧濤.恒壓調速供水系統應用概述 [J].邯鄲職業技術學院學報，2010(04).