加壓泵站恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉振峰

摘 要：本文以西安某水廠二次加壓泵站恒壓供水PLC監(jiān)控系統(tǒng)為例。對(duì)加壓泵站恒壓供水PLC控制系統(tǒng)組成部分及系統(tǒng)功能與原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。

關(guān)鍵詞：PLC 恒壓供水 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0022-01

傳統(tǒng)的自來水公司供水系統(tǒng)，常常要面對(duì)不同時(shí)段，用水量往往差別很大的情況，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，恒壓供水獲得了廣泛的應(yīng)用，本PLC控制系統(tǒng)采用法國schneider-electric公司高端過程自動(dòng)化控制器系統(tǒng)，上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)與本系統(tǒng)控制器之間采用以太網(wǎng)方式通信，并與低壓柜側(cè)安裝的6塊電能表之間采用串口方式通訊?？刂葡到y(tǒng)主要控制對(duì)象為6臺(tái)水泵，其中4臺(tái)功率為220 kW，各采用一臺(tái)軟啟動(dòng)器控制，2臺(tái)功率為200 kW，采用一臺(tái)變頻器進(jìn)行切換起?？刂啤Ｃ颗_(tái)泵出口配置一臺(tái)電動(dòng)切斷閥（開關(guān)量控制），供水總管配置有一臺(tái)壓力測(cè)量?jī)x表和流量測(cè)量?jī)x表（都為4～20 MA信號(hào)），為了保證可靠性，水池液位測(cè)量配置兩個(gè)獨(dú)立的傳感器，一為連續(xù)液位測(cè)量的模擬量信號(hào)，一為液位低報(bào)警的開關(guān)量信號(hào)。

1 系統(tǒng)主要組成部分

（1）加壓站控制系統(tǒng)采用一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，包括PLC和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

（2）控制站采用法國施耐德公司的QUANTUM系列，組態(tài)軟件選用GE公司的iFix。

（3）就地上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)和控制站CPU交換數(shù)據(jù)，中心調(diào)度室計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)和控制站CPU交換數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)具有獨(dú)立于PLC的就地手動(dòng)控制功能，一旦PLC 系統(tǒng)出現(xiàn)故障可切換到手動(dòng)系統(tǒng)控制，保證加壓供水生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)功能與原理

（1）正常情況下，系統(tǒng)以一臺(tái)變頻泵加減一臺(tái)工頻泵的工作方式自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。同時(shí)任何一臺(tái)泵都可以在備用的條件下，用“手動(dòng)”按鈕選擇為手動(dòng)，退出自動(dòng)工作狀態(tài)單獨(dú)操作，但無論在何種情況下最多只允許一臺(tái)變頻泵加一臺(tái)工頻泵的工作方式，且不允許單獨(dú)啟動(dòng)工頻泵。

（2）啟停泵時(shí)，都遵循先開泵后開閥，先關(guān)閥后關(guān)泵的原則，防止水泵啟停對(duì)設(shè)備造成的水錘損害，同時(shí)開泵與開閥，關(guān)閥與關(guān)泵的間隔時(shí)間程序設(shè)定為15 s。

（3）具有警戒水位自動(dòng)停泵功能，同時(shí)在自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)。其中1、2、3號(hào)泵對(duì)應(yīng)1號(hào)清水池，4、5、6號(hào)泵對(duì)應(yīng)于2號(hào)清水池。警戒水位在管理員界面下可調(diào)、可屏蔽（需要屏蔽時(shí)將警戒液位設(shè)為0 m）。

（4）具有出水總管達(dá)到高壓力或者低壓力時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警功能（延時(shí)10 s）。高壓力即實(shí)際值比設(shè)定值大1 kg，低壓力即實(shí)際值比設(shè)定值小1 kg。

系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，首先一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，當(dāng)加泵條件滿足后，啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵，當(dāng)減泵條件滿足后，停止該工頻泵。其中3、4號(hào)變頻運(yùn)行，一用一備，同時(shí)只允許其中一臺(tái)工作，2、5號(hào)工頻運(yùn)行，一用一備，同時(shí)只允許其中一臺(tái)工作，1、6號(hào)工頻運(yùn)行，作為日后拓展。

（5）自動(dòng)狀態(tài)下加減泵條件：在管理員界面下可設(shè)置給定壓力，壓差值ΔP，延時(shí)時(shí)間（程序中設(shè)定為延遲30 s）。當(dāng)變頻器頻率達(dá)到頻率上限，而實(shí)際壓力<給定壓力-ΔP，延時(shí)一段時(shí)間后上述情形仍存在，則滿足加泵條件。當(dāng)變頻器頻率達(dá)到頻率下限，而實(shí)際壓力>給定壓力+ΔP，延時(shí)一段時(shí)間后上述情形仍存在，則滿足減泵條件。在自動(dòng)狀態(tài)下，啟動(dòng)某一臺(tái)泵的前提條件是該泵對(duì)應(yīng)的閥門處于遠(yuǎn)程自動(dòng)狀態(tài)。否則不能控制。

（6）停泵時(shí)，若對(duì)應(yīng)閥門的“關(guān)到位”信號(hào)不能及時(shí)收到，延時(shí)一定時(shí)間后強(qiáng)制關(guān)泵。先前的故障信號(hào)消除后，自動(dòng)轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)。定時(shí)時(shí)間到自動(dòng)切換功能。當(dāng)3號(hào)4號(hào)泵都在自動(dòng)狀態(tài)下，開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到后，優(yōu)先的泵切換為備用，備用的泵切換為優(yōu)先。系統(tǒng)默認(rèn)自動(dòng)切換時(shí)間為48 h。

3 供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式

對(duì)于供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要是為了滿足用戶對(duì)于水壓的需求。因此，供水系統(tǒng)基本的控制對(duì)象是壓力。壓力的大小又由揚(yáng)程來控制，而揚(yáng)程卻不能具體的測(cè)量及控制。考慮在動(dòng)態(tài)的情況下，揚(yáng)程大小能夠由供水水泵轉(zhuǎn)速的大小反映出來，而揚(yáng)程同供水能力（由流量GQ表示）以及用水需求（由用水流量UQ表示）的平衡情況相關(guān)。

如果供水能力GQ>用水需求UQ，則壓力P升高，此時(shí)需要降低轉(zhuǎn)速；如果供水能力GQ<用水需求UQ，則壓力P降低，此時(shí)需要提高轉(zhuǎn)速；如果供水能力GQ=用水需求UQ，則壓力P保持不變，水泵轉(zhuǎn)速不變。

由上述可得流體壓力P的變化反映出供水能力同用水需求UQ間的矛盾。因此，選擇轉(zhuǎn)速控制來對(duì)管道壓力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。這說明，通過恒壓供水就能夠確保供水能力以及用水流量間的平衡，能夠很好地滿足用戶對(duì)于用水流量的需要。

當(dāng)用戶需求出現(xiàn)變化時(shí)，為了適應(yīng)壓力的變化，就要在壓力恒定的前提下對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。常見的調(diào)節(jié)方法有閥門控制法及轉(zhuǎn)速控制法兩種。

（1）閥門控制法。

保持轉(zhuǎn)速恒定，通過對(duì)閥門的開度大小進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制流量。其本質(zhì)是水泵自身的供水能力保持不變，而通過控制水路當(dāng)中的阻力大小對(duì)流量大小進(jìn)行強(qiáng)制改變，以滿足用戶對(duì)于流量的需求。此時(shí)的管阻特性隨著隨閥門開度的變化而變化，但揚(yáng)程特性保持不變。

（2）轉(zhuǎn)速控制法。

閥門開度恒定，通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。其本質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來滿足用戶對(duì)于流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之出現(xiàn)改變，而管阻特性保持不變。

4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案

變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案包括1臺(tái)變頻器控制1臺(tái)水泵的簡(jiǎn)單控制方案，也有1臺(tái)變頻器控制幾臺(tái)水泵的方案，我們下面簡(jiǎn)單介紹單臺(tái)變頻器控制單臺(tái)水泵：

單臺(tái)變頻器控制單臺(tái)水泵的控制方案在國內(nèi)一般指一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)水泵。因?yàn)槿孔冾l系統(tǒng)當(dāng)中，變頻器、控制器、電機(jī)都沒有備份設(shè)備，無法在出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行切換，所以現(xiàn)今多應(yīng)用于用水量小，且對(duì)供水可靠性的要求不高的場(chǎng)合。

5 結(jié)語

本文所介紹的增壓泵站恒壓供水系統(tǒng)已成功應(yīng)用在西安某水廠，從一年多的運(yùn)行情況來看，符合最初的設(shè)計(jì)要求，此系統(tǒng)具有界面友好，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析等特點(diǎn)，相比較改造之前的系統(tǒng)，大大減少了人為操作設(shè)備的時(shí)間，供水效果也大大改善，受到了甲方人員的一致好評(píng)。