PLC 在提升泵房中的應用

蔡建斌

(上海市自來水市南有限公司，上海 200002)

源江水廠采用的是先沙后碳的深度處理模式。黃浦江原水經過取水泵房取水后，加入高錳酸鉀、次氯酸鈉、硫酸銨和礬液后，經過臭氧預處理池消毒后，進入平流沉淀池沉淀淤泥，然后進入V型沙濾池過濾后，經提升泵房軸流泵將濾后清水打入碳濾池過濾，最后根據水質情況加入次氯酸鈉和硫酸銨進入水庫，再通過出水泵房打入管網。

提升泵房有進水管、前池、進水流道及水泵、出水管及出水渠這幾大部分組成。進水管直徑DN 1 800 mm，布置在前池進水墻的底部，表現為底部出水，然后通過前池擴散，進入流道，提升后至碳濾池。

當水從砂濾池過來后，直接經過提升泵提升至碳濾池。由于濾池的水是波動的，每當沖洗的時候，水量會減少。然而，提升泵的穩定運行，就需要保證提升泵吸水水位的恒定，使其一直工作在高效區，減少汽蝕和震動對泵體造成的損傷。所以，我們提升泵需要PLC來進行PID控制，使得無論濾池的進水多少，保證水泵的吸水水位保持恒定。

1 提升泵房機泵控制方案

1．1 增泵流程

常態運行時，提升泵中一臺運行在變頻狀態(定義為變頻泵)，其余各臺運行在全頻狀態(定義為全頻泵)。當濾后水進水渠道，水位持續上升，其中的變頻泵頻率調至全頻時(＞47 Hz)，系統將以變頻方式啟動下一臺提升泵，啟動頻率設為20 Hz，在選擇啟動泵前，控制系統搜索可選泵的累計運行時間，首選累計運行時間最少的提升泵;隨后，繼續對進水渠道水位不斷采樣對比，進入下一程變頻調節階段，直至該變頻泵調節至全頻運行(＞47 Hz)，再同樣方式啟動下一臺提升泵，以此類推，如圖1所示。

圖1 變頻器邏輯控制圖Fig．1 Logic Control Chart of Frequency Transformer

1．2 減泵流程

通過此設計理念，使得5臺提升泵在保證運行水位的同時，還可以輪流啟動和停止。有效地預防了一臺機泵不間斷工作的情況。

2 提升泵房的PID設置

PID變頻控制流程:變頻運行的提升泵采用PID閉環調節控制方式，如圖2、圖3所示［1］。

變頻泵的頻率調節采用ControlLogix專用PID指令完成。為及時跟蹤進水渠道水位變化過程，PID指令執行周期設定為200 ms。

PID指令參數:

SP—水位控制設定值，單位:m，該工藝參數由操作人員根據工藝要求設定;

圖2 PID變頻控制流程Fig．2 Process of PID Frequency Conversion

PV—水位控制實測值，單位:m，該工況參數由液位儀反饋給PLC;

E—實測值對設定值的偏差，即:E=PV-SP;

Kp—PID設定的比例增益(P增益);

在江河湖泊設置入河排污口的建設項目，建設單位應當取得縣級以上地方人民政府水行政主管部門或者流域管理機構出具的入河排污口設置同意文件。在進行入河排污口設置審批時，應結合廢污水產排分析及納污水域調查成果，分析判斷其是否符合清潔生產、達標排放與總量控制、水功能區限排等方面要求。因保留區、緩沖區主要是采用現狀污染物入河量作為納污能力及限排總量，因此在進行入河排污口設置審批時，需削減水功能區內相應的排污量，以滿足新增加入河排污量后不會超過限排總量；而開發利用區的納污能力及限排總量主要是采用模型法進行計算，新增加入河排污量與現有入河排污量的總和不得超過該水功能區限排總量。

Ki—PID設定的積分增益(i增益);

Kd—PID設定的微分增益(d增益)。

用于PID指令的PID方程是一個可以選擇獨立增益或者相關增益的位置形式方程。本程序采用獨立增益方式，其比例、積分、微分只影響各自特定的分項。

圖3 PID設置圖Fig．3 Diagram of PID Setup

PID方程式:

CV=Kp(E)+Ki∫(E)dt+Kd(PV)/dt+BIAS

其中:

CV—PID控制輸出。

BIAS—輸出偏置。

Kp、Ki、Kd參數在調試時根據實際工況在PLC的PID指令中設置。

通常，在確定 PID 參數(Kp、Ki、Kd)時要兼顧系統靈敏性和穩定性，因此，對上述分量的設置，都要在現場調試過程中，采用經驗的方式和逐步逼近的方式，小心地進行試驗，最終得到最佳設定值［2，3］。

3 結論

通過調節提升泵的頻率，來達到調節水泵輸出功率的目的，進而實現出水流量的控制。這種方法最大的特點是節能，其次是調節精度高，無機械損傷，運行壽命較長。源江水廠提升泵房使用的效果證實了這些特點。

圖4記錄了實際運行時，提升泵房蓄水池水位控制的趨勢曲線(2013年1月1日～2013年4月21日)，從實際記錄的趨勢曲線看，水位控制相當平穩，基本在3 m附近波動。

圖4 提升泵房蓄水池水位趨勢曲線Fig．4 Trend Curve of Reservoir Water Level in Pumping Station

該系統自投運以來，運行正常可靠，從未發生蓄水池漫溢事故。

提升泵房由于設計上的缺陷，導致了水流成側向進水，渦流較大。同時，提升泵房的儲水容積又偏小，因此，只要水位一有波動，輕者會引起提升泵的汽蝕與振動，重者便會使得提升泵葉輪折斷。通過PLC系統的改造，可以很大程度上緩解設計上的缺陷，保證設備的使用安全。

［1］吳勇．智能儀表在水廠中的應用與管理［J］．中國科技博覽．2011，19(30):298-299．

［2］盛宴．論自來水廠中的PLC自控技術的運用［J］．現代商貿工業．2008，20(3):288-289．

［3］王勇，陳曉恂．PLC在水廠真空系統控制中的應用［J］．凈水技術，2008，27(5):66-68．