泵站中PLC恒壓供水控制技術的節能應用

韓耀明

引言

曙三水源站日平均外輸水量500-800m3。站內只有一臺4#外輸泵（型號：125SS39A，流量99m3/h）變頻運行，該泵平均運行頻率為44Hz。絕大多數時間，外供水量和所需揚程均小于最大工況，導致站內平均能耗偏高，不符合水源站經濟運行要求。

1.前期準備

為了調整水源站運行方式，降低運行能耗，實現PLC變頻恒壓控制兩臺泵切換運行，需要在外輸泵房新安裝一臺水泵。考慮到最小日外輸量的平均值，再根據用戶用水量與相應的管網水壓變化情況，選擇了合適的泵型，新泵型號為：ISG80-160，流量50m3/h。

考慮到使用變頻恒壓供水系統后，系統將會自動啟停泵。因此，新泵和原泵的出水管路上，安裝了DN100和DN150的截止閥。為了保證系統正常工作，對原有4#泵進口閘閥的閘板進行了加固處理。同時，為了便于觀察數據，新泵出水口安裝了普通壓力表。

2.PLC控制恒壓供水方案

本設計是以水源站供水系統為控制對象，使用PLC控制結合變頻技術，設計一套恒壓供水系統，并保證整個系統運行可靠，安全節能，獲得最佳的運行工況。

PLC控制變頻恒壓供水系統主要有可編程控制器（及擴展模塊）、變頻器、壓力變送器、水池液位計和現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環調節系統。本設計中有1個清水池，2臺水泵，采用部分流量調節方法，即2臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行。PLC根據管網壓力自動控制兩個水泵切換，并根據壓力檢測值和給定值進行PID運算，輸出變頻信號，調節流量，使供水管網壓力恒定。

根據以上控制要求，確定了“通用PLC+變頻器+壓力傳感器（+人機界面）”恒壓控制方案。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優點，又能達到系統穩定性及控制精度的要求。

3.系統硬件選型

系統的主要硬件設備包括以下幾部分：PLC及其擴展模塊、變頻器、壓力變送器、液位變送器等。

3.1 PLC及其擴展模塊

PLC是整個變頻恒壓供水控制系統的核心，它要完成對系統中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。本方案PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統。

3.2壓力變送器的選型

壓力變送器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，壓力變送器是將水管中的水壓變化轉變為1-5V或4-20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊（A/D模塊）的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4-20mA輸出壓力變送器。根據以上的分析，本設計中選用rosemount1151壓差變送器。

3.3液位變送器選型

考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設計要求貯水池水位區間2.0m-3.9m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位信號轉換成標準電信號（4-20mA電流），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC系統。綜合以上因素，本設計選擇沈陽天維自動化儀表的TW2100液位變送器。其量程為6m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量。

4.系統的軟件分析與設計

硬件連接確定之后，系統的控制功能主要通過軟件實現，結合泵站的控制要求，對泵站軟件設計需要實現以下功能。

4.1系統恒壓要求

根據經驗數據，要保證管網水壓0.26MPa恒定。這一功能可通過比較指令實現。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。

4.2兩臺泵自動切換運行

大部分時間，小泵運行即能滿足用戶需求。為了保證用戶的水壓和水量要求，要求兩臺泵自動切換運行。當變頻器達到相應的閾值時，運行泵自動切換，變頻器始終拖動運行泵工作。

4.3安全運行

為了保證水泵的安全運行，防止抽空，有必要對水池水位進行報警和必要的處理。因此設計要求：水位低于2m時，自動切換時相應的水泵不能啟動，小泵降頻至15Hz運行;水位低于0.2m時，泵機組將會停運。

5.系統調試

初期編程思路是“用流量來控制泵的頻率、頻率控制泵的啟停”。因此，在程序最初設定的頻率值為小泵48Hz和大泵38Hz時互相切換，中間延時時間為1分鐘。但在實驗中我們發現因為大小泵峰值流量差別太大導致系統頻繁切換水泵。例如當小泵運行時，瞬時流量達到44m3/h，此時頻率為48Hz，延緩時間后自動切換到大泵以40.5HE運轉，而因大泵低于38Hz，按照程序又自動切回到小泵運行。大小泵切換時，外輸壓力下降，小泵就會在高頻狀態下運轉，頻率一旦超過限定值則又會切換，周而復始，從而導致大小泵來回振蕩運行。

經過思考，上述問題的原因是切換泵的頻率值差距過小，延緩時間較短。為此對程序進行修正，保證在節能有效區內拉大泵啟動頻率值之間的差距，重新規定切換值分別為48Hz和38Hz;同時也將跳轉延遲時間增大到到5分鐘，從而避免了因管網壓力波動頻繁造成的系統誤操作，增強了PLC恒壓控制系統的穩定性。

6.運行能耗分析

控制系統的參數調試確定后，PLC控制系統正式投用。實驗期間詳細記錄了系統投用以來曙三水源站每天的外輸量、用電量和單耗情況，與上一年同期做了對比。

從記錄數據得到，水源站噸水用電量（單耗）從0.57 Kwh/m3降到了0.42 Kwh/m3，單耗下降了26.3%。由此可見，PLC恒壓供水控制系統的節能效果非常顯著。

7結論

實驗過程中得到以下結論：

（1）曙三水源站通過PLC模塊編程，結合PID閉環控制，實現大小泵根據壓力和頻率自動切換運行。PLC技術的應用，極大減輕站內員工的工作量;

（2）曙三水源站通過對兩臺水泵進行PLC技術變頻恒壓供水技術改造，并在現場成功應用，使水源站供水單耗明顯降低;

（3）PLC技術應用在外輸量波動較大的水源站，輔以合理的泵型，該系統節能效果會更加明顯，因此具有廣泛的實用性和推廣性;

（4）PLC技術的可編程性還可以應用在更多更復雜的供水企業站內工藝流程中，可以完全滿足供水泵站自動化經濟運行要求。