PLC控制系統在污水處理環節中的應用

廣州市輕工職業學校 陳燕蓮

前言

城市污水處理廠耗能大、成本高,尤其近年來電費的上調,致使污水處理廠的運行費用不斷增加。污水處理廠的電耗在運營費用中一般占到40%左右,而污水提升電耗則占總能耗的10%-20%。節約用電對降低污水處理廠的運行成本至關重要。目前，我國大多數污水處理控制系統中基本都普及了PLC控制，在以PLC為核心的污水處理控制系統中變頻器也擔當了相當重要的角色。以往的控制方法中常常使用一臺變頻器專門控制一臺電機，這樣雖然控制接線簡單，但是非常浪費資源。為了提高自動化水平，節約處理成本，可以對原有的控制系統進一步優化。

控制要求：在某污水廠處理中污水提升環節里，PLC要控制3臺22kw的污水提升泵，并且要達到系統穩定，節能的效果。

1.基于硬件設備的分析

可編程控制器PLC作為替代繼電器的新型控制裝置，簡單可靠，操作方便、通用靈活、體積小、使用壽命長且功能強大、容易使用、可靠性高。

為了使水壓的調節平滑，穩定；保證水壓反饋信號值的準確、不失真；使系統的調試更簡單、方便。計劃使用內部自帶的PID調節器的變頻器。一方面降低了生產成本，另一方面大大提高了生產效率。

根據需要初步計劃3臺22kw水泵的電機為變頻電機，為了達到節能的效果采用在某個運行工況里允許一臺電機在20Hz-60Hz之間運行。實驗證明，電機頻率低于20Hz時污水提升泵已無法提動污水。

2.基于控制方式的分析

2.1 并列同步控制法

利用一臺大功率的變頻器拖動多臺較小功率的電機，這幾臺電機同時啟動和停止。

圖1

優點：

接線簡單，控制邏輯簡單：在PLC程序編寫中用需求量控制頻率即可，當污水提升需求量大時對應調高這幾臺電機的運行頻率就可以滿足要求了。

缺點：

硬件設備投入大：變頻器的功率是被控的多臺電機之和。

控制不靈活：變頻器只能同時同頻控制多臺電機，無法設置一部分電機工頻工作，一部分變頻工作。

精度不夠高：當污水提升需求量在小范圍內變動時，污水提升泵無法實現小范圍調節要求。

2.2 逐步投/切控制法

2.2.1 一臺變頻器固定控制一臺電機，當達到上限頻率時候，工頻啟動下一臺電機，上限頻率仍然保持，再工頻啟動下一臺電機。當頻率達到下限頻率時，停止一臺工頻運行的電機，下限頻率仍然保持時，再停止一臺工頻運行的電機。通過固定變頻電機的調節來使水壓穩定。

優點：

接線簡單，控制邏輯簡單，硬件設備投入不大

缺點：

直接增加工頻電機，對管網壓力影響較大

控制精度不夠高：當污水提升需求量在小范圍內變動時，污水提升泵無法實現小范圍調節要求。

2.2.2 一臺變頻器對多臺電機進行控制，根據需求量控制電機運行頻率、增加或減少電機的數量。（變頻器每次只能控制一臺電機，若要切換控制，其它必須切換到工頻運行狀態或者停止狀態）

優點：節約硬件成本：變頻器的功率按單臺受控電機的功率配置。

控制精度高：污水提升量需求小也可以實現小范圍的調節。

更有效節能。

缺點：硬件接線復雜：接線多，交流接觸器的數目要比并列同步控制的方法多一倍。

綜合考慮，選擇最后一種控制方式，即可使系統穩定又可節約成本。

3.邏輯控制思路

3.1 加泵過程

首先由M1在變頻控制的情況下工作。

當用水量增大、水壓下降，變頻器輸出頻率上升到50Hz時，水壓仍然不足，則按需求依次增加水泵的運行，增加水泵的方式有兩種。

3.1.1 經過短暫的延時，將M1切換為工頻工作，同時變頻器的輸出頻率迅速降低為0，然后使M2投入變頻運行。當M2也達到額定頻率而水壓仍不足時，重復開始運行時的過程，水泵M2脫離變頻器驅動，由工頻供電全速運行，變頻器驅動水泵M3變頻運行，使水壓恒定在設定值上。

3.1.2 經過短暫的延時，工頻控制水泵M2啟動，M1變頻運行，M1頻率仍然保持上限（水壓不足），工頻控制水泵M3啟動，M1變頻運行，使水壓恒定在設定值上。這種方式直接加入工頻水泵，使用M1變頻運行，使水壓恒定在設定值上。減少了水泵工頻跟變頻的切換次數，然而直接增加工頻水泵時管網壓力一下受到了比較大的沖擊，當供大于求時，M1要減頻調節。

3.2 減泵過程

當用水量減少、水壓上升、變頻器輸出頻率低于下限值時，但管網壓力仍偏高時，則各泵將依次退出運行，依次退出運行的方式有兩種。

3.2.1 先開先停方式。PLC接收到下限頻率到達信號，延時一定時間后，接觸器KM2失電復位，水泵M1脫離工頻電源停止運行。變頻器輸出頻率仍然低于下限值，重復上述過程，水泵M2脫離工頻電源停止運行，變頻器驅動水泵M3恒壓供水，水壓穩定在設定值上。這種方式稱為循環方式，通常用于各臺水泵的容量都相等的供水系統中。其優點是可以自動的使各泵運行的時間比較均衡；缺點是工頻運行狀態直接停機時，可能由于停機太快而使管網壓力發生較大波動。

3.2.2 先開后停方式。首先使正在變頻運行的M3減速停機，然后使變頻器的輸出頻率升至50Hz，將M2切換為變頻工作，依此類推這種方式通常用于各臺水泵的容量不相等的供水系統中，其優點是水泵的停機比較緩慢，管網壓力比較穩定。缺點是不能循環運行。

3.3 加減水泵的條件

在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己運行在上限頻率，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統提供穩定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換。

在實際應用中，應當在確定需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。所謂延時判別，是指系統僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。

4.外部接線以及I/O分配

5.狀態轉移圖

6.小結

本論文研究的是以PLC和變頻器為核心進行設計，借助于PLC強大而靈活的控制功能和內置PID的變頻器優良的變頻調速性能，實現污水提升的恒壓控制。該系統采用PLC控制變頻器進行PID調節，按實際需要隨意設定壓力給定值，根據壓差調整水泵的工作情況，使提升泵始終在高效率下運行，在啟動時壓力波動小，可控制在給定值的較小范圍內。不需要操作人員頻繁操作，節省了人力，提高了污水提升環節的質量，減輕了勞動強度，可實現無人值班，節約管理費用。對整個污水提升過程來說，系統的可擴展性好，管理人員可根據需求選擇不同的壓力設定范圍，達到了更優的節能方式，實現污水提升的最優化控制和穩定性控制。

[1]李華．變頻調速技術在供水系統中的應用[J]．電氣傳動自動化,1996．

[2]常曉玲．電氣控制系統與可編程控制器[M]．北京∶機械工業出版社,2004,1．

[3]張國強．全自動變頻調速恒壓供水系統設計與探討[J]．學術論壇,2006．

[4]徐琳,牟道光．PLC在污水處理中的應用[J]．微計算機信息,2004,9(5)∶67-82．

[5]陳建明．電氣控制與PLC應用[M]．北京∶電子工業出版社,2006．