PLC在變頻恒壓供水系統中的應用

李萬亮

天津市武清區河東自來水服務站

PLC在變頻恒壓供水系統中的應用

李萬亮

天津市武清區河東自來水服務站

水泵作為供水工程中的通用機械，消耗著大量的能源，電耗往往占制水成本的60%以上，我國每年水泵的電能消耗占電能總消耗的21%。為了節約能耗，必須采取調節措施使泵站適應負荷的變化。恒壓供水在企業及高層生活小區的應用越來越廣泛，它可以取代傳統的水塔、高位水箱或氣壓罐等供水方式，不僅節能效果顯著，還可以極大地改善系統的工作性能，延長系統的使用壽命，具有良好的經濟效益和實用價值。

PLC；變頻恒壓供水系統；應用

1、系統工作原理

可實現恒壓變量、雙恒壓變量等控制方式，多種啟停控制方式，定壓精度≤±1%；變頻器對電機進行軟啟軟停，減少設備損耗，延長電機壽命；具有自動、手動及異地操作功能；智能化控制，可任意修改指令參數(如壓力設定值、控制順序、控制電機數量、壓力上下限、PID、加減速時間等)；具有完善的電氣安全保護措施，對過流、過壓、欠壓、過濾、斷水等故障均能自行診斷并報警。

恒壓供水是指用戶端不管用水量大小，總保持管網中水壓基本恒定，這樣既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費。為實現上述目標，需要變頻器根據給定壓力信號和反饋壓力信號，調節水泵轉速，從而達到控制管網中水壓恒定的目的。

該系統主要由3臺水泵、1臺變頻器、PLC、PID及線性壓力傳感器等組成。其中PLC、PID調節器和壓力傳感器組成閉環反饋控制系統。PLC控制各臺誰本的運行狀態(如工頻運行、變頻運行、停止)，從而控制水泵的運行臺數，在大范圍內控制供水的流量；PID調節器控制變頻器對變頻泵進行速度調節，在小范圍內控制供水的流量。水泵的速度調節采用變頻調速技術，利用變頻器對水泵進行速度控制，采用“一變多定”的控制方式，并根據PID調節器輸出電流信號驅動變頻水泵。

2、系統構成

水廠一般建有泵房和供水車間。建在水源地的深井泵房(稱一級泵房)，提取地下水壓入水廠蓄水池，深井泵的啟動、停止，即可在現場進行手動控制操作，又可通過中心監控室進行遙控操作。建在水廠的供水車間(也稱二級泵房)，將蓄水池的水泵壓倒輸水管網送到千家萬戶，主要由多個電動碟閥和閘閥控制的供水回路、多臺水泵、電控柜、中心監控室等組成，是整個供水系統的核心。

為維持管網壓力恒定和節約能耗，采用圖1所示的變頻調速恒壓供水系統，由1臺PLC作為控制單元實現自動控制。安裝在泵房總出水閥處輸水管上的壓力變速器，能將管道中時刻變化著的水壓信號變換成電信號(4—20mA)，傳送給PLC，PLC把該電信號與程序中設定的“恒定壓力上下限”的數字值進行比較后控制系統執行單元的變頻器和自耦降壓啟動器。變頻器和自耦降壓啟動器都能控制這三臺水泵中任何一臺，只是它們不能同時控制某一水泵。變頻器處自耦降壓啟動器互為備用，都接自同一電路三相電源線，又都受PLC直接控制，且變頻器還時刻接受PLC傳來的“是否要改變頻率”的指令，視水壓變化來控制某一臺泵是變頻運行，還是工頻運行。多臺水泵的啟停也由PLC協調運行，一臺供水達不到設定壓力時，可啟動第二臺，當兩臺水壓還不足時，啟動第三臺。反之，供水壓力過大時，逐步減少工作泵或其中一臺變頻運行。此外，作為反饋單元的還有流量計、蓄水池液位計算。以上各部分共同組成二級泵房閉環控制系統，代表目前水廠自動化的最新水平。

3、PLC在變頻恒壓供水系統中的應用

3.1 系統硬件設計

根據需求，本系統設計了 3 臺水泵電機，每臺電機均有 2 個接觸器控制，整個系統配備一個MM440 變頻器控制，一個接觸器通過變頻器與電源相聯，另一個接觸器直接連接工頻電源。變頻器一次只能接通一臺電機，通過程序設計實現對各個電機的變頻控制。每臺電機均配熱繼電器做工頻運行時的過載保護。觸摸屏主要作用是遠程啟停系統和監控管網水壓及電機運行狀態，在手動控制時電動機運行頻率通過觸摸屏給定。

3.2 運行方式設計

為提高系統的可靠性和可操作性，設計了手動和自動兩種運行方式。

(1)手動運行

在手動運行方式下，可分別啟動和停止 3 臺水泵，這種方式供設備檢修時使用，不作為供水時的運行方式。為保護水泵電機，延長電機使用壽命，同時為減少電機啟動時對電網電壓的沖擊，手動控制時電動機也采用變頻器軟啟動的方式。

(2)自動運行

切換到自動運行模式后，按下啟動按鈕，首先接通變頻器和接觸器組，然后通過接觸器 KM1 觸點的動作把 1 號水泵電機接入變頻輸出電路，從而實現自動運行時 1 號水泵電機的軟啟動。壓力傳感器將檢測到的供水管網的水壓信號，轉換成單極性模擬量電信號(4～20mA)，并將此信號反饋給 PLC的模擬量輸入模塊。PLC處理器將測得的實際值與設定值進行比較，用這個偏差來調整水泵的運行頻率和狀態，執行PID調節控制。如夜間用水量較少時，1號水泵就在變頻器控制下變頻運行。若是白天用水高峰時，變頻器先將1號水泵運行頻率上升到工頻，然后切除對 1 號水泵的頻率控制，即斷開接觸器 KM1，接通接觸器 KM2，讓 1號水泵在工頻下運行，同時變頻器啟動對 2 號水泵的變頻控制，即接通接觸器 KM3。如果兩臺水泵供水仍然不能達到供水壓力，則將 2 號水泵升至工頻運行后，變頻器再去變頻啟動 3 號水泵。本系統根據某小區的用水量設計了三臺泵組，也可以根據實際情況增加水泵機組的水泵數量。在壓力允許的范圍內，按照PID控制器的控制策略，控制變頻器的輸出頻率，通過調節電機轉速和運行臺數達到調節水壓的目的。超出壓力允許范圍的時候，通過PLC程序控制調整水泵運行的臺數，結合對水泵電機的變頻調速，實現調節水壓保持水壓基本恒定。

3.3 系統軟件設計

軟件設計包括觸摸屏監控界面設計和PLC控制程序設計，運用MCGS組態軟件進行監控界面設計，實現運行狀態實時顯示，實時數據數據獲取，故障監控等功能，進而實現系統的監測和控制。觸摸屏通過PC/PPI通信電纜與現場PLC設備進行通信，在上位機完成組態畫面的設計和參數設置后通過USB接口下載到觸摸屏。

根據控制要求，要求系統有兩種運行方式：手動和自動，三臺水泵電機根據管網水壓情況在變頻和工頻運行之間切換。主程序設計的思路如圖1所示：

系統梯形圖程序主要由系統初始化主程序、報警子程序、變頻運行子程序/工頻運行子程序、中斷程序組成。PID控制程序采用向導編程完成。

圖1 主程序設計流程圖

4、結論

技改后的水廠在近一年的實際運行中，充分體現了控制的科學性和先進性，運行的經濟性和可靠性，取得了顯著的經濟效益。其技術特點為：

(1)合理的設計的保證變頻器和自耦降壓啟動器互為備用。即在自耦降壓啟動器出現故障時，變頻器馬上投入運行，當變頻器出現故障時，自耦降壓啟動器即投入運行。

(2)由變頻或自耦降壓啟動器控制水泵從0速到額定轉速的平滑啟動，避免了電機啟動時的沖擊電流，從而保證電網和設備不受損傷。

(3)結構小巧、運行速度高、價格低廉及具有多種集成功能的SIMATICS7-200 PLC加上完善的程序，最終實現現場無人值守，系統能夠全自動運行。

總之，供水是國計民生的大事，水質和水價又與人民生活息息相關，因此水廠的技術改造與自動化一要可靠，二要節能、高效、經濟。自來水廠供水一定要保持水壓穩定在某一設定范圍內，比如0.2— 0.25MPa，但用水量是動態的，白天用水量大，有時處于高峰；晚上用水量小，有時處于低谷。如何保證供水高峰和低谷時水壓恒定，根據水泵相似性原理(流量正比于轉速，揚程正比于轉速的平方，功率正比于轉速的立方)，采用變頻調速技術，通過調節水泵轉速，達到恒壓供水，可編程序控制器非常適合在供水系統使用。從可靠性、先進性、經濟性等方面進行綜合考慮后，選用以上兩項高新技術對某縣城水廠進行現代化改造，取得了良好的經濟效益。

[1] 吳上.模糊預測控制技術在變頻恒壓供水系統中的研究與應用[D].湖南工業大學，2015.

[2] 莫慧芳.PLC在變頻恒壓供水系統的應用[J].變頻器世界，2007，(05)：80-82.

[3] 陳懷忠.西門子PLC和WinCC SCADA在變頻恒壓供水系統中的應用[J].福建電腦，2006，(12)：186+133.