變頻恒壓供水技術(shù)在加壓站的應(yīng)用

楊招虎

[摘? ? 要]加壓站變頻恒壓供水系統(tǒng)工程采用進口工控機或PLC做控制主機，以變頻器為調(diào)速控件，通過RS-232通信接口，用工業(yè)組態(tài)軟件實現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動控制及其各種參數(shù)的微機監(jiān)控管理。這樣就可實現(xiàn)水庫水位報警，給水營網(wǎng)恒壓供水。

[關(guān)鍵詞]PLC 變頻調(diào)速;觸摸屏;軟啟動器;壓力傳感器

[中圖分類號]TP273 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Application of Frequency Conversion Constant Pressure Water Supply

Technology in Pressurizing Station

Yang Zhao-hu

[Abstract]The frequency conversion and constant pressure water supply system project of the pressurization station adopts imported industrial computer or PLC as the control host， and uses the frequency converter as the speed control control. Through the RS-232 communication interface， the industrial configuration software is used to realize the automatic control of the water supply system and its Computer monitoring and management of various parameters. In this way， the water level alarm of the reservoir can be realized， and the water supply network can be supplied with constant pressure.

[Keywords]PLC frequency conversion speed regulation; touch screen; soft starter; pressure sensor

某加壓站為區(qū)域供水，原有6臺加壓泵，1臺45 kW、3臺75 kW、2臺160 kW，均采用接觸器-繼電器控制。設(shè)備陳舊、老化、能耗大;管網(wǎng)供水壓力靠操作人員開、停泵和開、關(guān)閥門手動調(diào)節(jié)，這樣既浪費人力，控制也不可靠。而某加壓站的運行情況關(guān)系到科研生產(chǎn)用水的供給，加壓站設(shè)備一旦損壞，將直接影響到正常生產(chǎn)，給公司造成重大損失。

近年來，隨著異步電動機變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨成熟，供水系統(tǒng)正逐步采用變頻恒壓供水，利用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可使水泵供水系統(tǒng)取得顯著的節(jié)能效果，還可以極大地改善系統(tǒng)的工作性能，并能延長系統(tǒng)的使用壽命，克服了傳統(tǒng)供水方式的種種缺點。

成都飛機工業(yè)有限責(zé)任公司經(jīng)過論證，決定采用臺灣研華的工控機、ABB變頻器、德國西門子S7-300系列PLC和3RW22系列軟啟動器等產(chǎn)品，來對某加壓站進行變頻恒壓供水改造。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概況

某加壓站供水系統(tǒng)分為生產(chǎn)用水泵為二用一備，水泵功率為132 KW;消防水泵一用一備，水泵功率為155 KW，供水流程是通過分布全廠的23口深井將水源經(jīng)深井泵送至廠內(nèi)三個水庫，生產(chǎn)水泵和消防水泵從水庫將水抽出并加壓，送至公司各廠房及辦公樓的用水點。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由微機綜合控制臺、生產(chǎn)水泵變頻恒壓控制部分、消防水泵軟啟動部分等組成。

1.2.1 微機綜合控制臺

（1）微機綜合控制臺由工控機、打印機、音響裝置、測量儀表、電動閥門開關(guān)、消防泵開關(guān)、電源開關(guān)、輸入輸出接口及指示燈等硬件組成。

（2）控制臺觀測兩條輸水管的流量（包括瞬時流量和累加流量）;監(jiān)控三個水庫水位信號;監(jiān)控供水干管的壓力并對三臺生產(chǎn)泵、兩臺消防泵實施遠程控制。

1.2.2 生產(chǎn)水泵變頻恒壓控制部分

變頻恒壓控制部分由變頻器、軟啟動器、可編程控制器、觸摸屏、空氣開關(guān)及交流接觸器等硬件組成（見圖1）。

（1）變頻恒壓水泵工作原理，以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調(diào)節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中，直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。

其工作原理框圖如圖1所示。

（2）變頻器，2臺變頻器均選用ABB公司ACS800-04-0170-3+P901，變頻器采用2種啟動方式：本地控制（LOC），通過顯示盤把電機基本參數(shù)設(shè)定在ABB變頻器中：如電機額定電壓、電流、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù);確定電機運轉(zhuǎn)方向;設(shè)置最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速;壓力給定值的設(shè)定。

遠程控制（ME），ACS800可以接受來自數(shù)字/模擬輸入口的啟動，停止和方向命令給定信號值。利用現(xiàn)場總線適配器REPA-1能通過開放的現(xiàn)場總線profibus連接控制傳動單元（變頻器）的工作。ACS800支持Generic drives通訊協(xié)議;具有PID環(huán)節(jié);具有自診斷功能。該診斷信號通過S7-300可編程控制器通訊并上傳至上位機顯示，同時對數(shù)據(jù)進行處理。ACS800具有睡眠功能，當(dāng)?shù)陀谀骋涣髁繒r，處于停機狀態(tài)，當(dāng)流量達到一定量要求時自動喚醒。2臺變頻器通過PLC程序定時切換，當(dāng)其中一臺變頻器工作24h后自動切換至另一臺變頻器工作。

（3）可編程控制器，可編程控制器選用西門子S7-300型。該PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，擴展非常方便。為了滿足要求，選用CPU315-2DP，并同時加擴展存儲器2M用于上位機程序下載存儲用。

（4）生產(chǎn)泵軟啟動器，選用西門子3RW2236電子式電動機軟啟動器，用于控制電機的軟啟動、軟停止。

（5）工控機，監(jiān)控計算機具有對整個供水系統(tǒng)進行集中監(jiān)控管理，實現(xiàn)“集中監(jiān)控、集中維護、集中管理”的維護管理目標(biāo)。

1.2.3 消防水泵軟啟動部分

消防水泵軟啟動部分由兩臺西門子3RW2237軟啟動器構(gòu)成。

消防水泵共2臺，一用一備。當(dāng)生產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)時，加壓站接到信號，手動啟動1臺消防泵;當(dāng)生產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)多處火災(zāi)，管網(wǎng)壓力下降厲害時，手動啟動另一臺消防泵。消防泵設(shè)有就地手動控制和微機綜合控制臺手動控制。工控機監(jiān)測其運行狀態(tài)和參數(shù)。

1.3 系統(tǒng)間的通訊連接

1.3.1 S7-300可編程控制器與變頻器、軟啟動器的鏈接

（1）Profibus 總線。

S7-300可編程控制器通過現(xiàn)場總線Profibus經(jīng)現(xiàn)場總線適配器RPEA-1與ABB變頻器ACS800進行鏈接。在與每臺變頻器進行連接時設(shè)定相應(yīng)地址碼ID，由于有兩臺變頻器，1臺工作另外1臺作為備用，故兩臺變頻器設(shè)定各自的ID，以便1臺變頻器發(fā)生故障時另1臺自動切換。

對于現(xiàn)場總線，設(shè)定的額定速度給定值和從傳動單元接收的實際速度值，進行比例換算后下傳和上傳。

（2）STEP7軟件的運用。

STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件包是西門子可編程控制器與工業(yè)軟件包，它與Windos的圖形和面向?qū)ο蟮牟僮髟硐嗥ヅ洹Ｔ摌?biāo)準(zhǔn)軟件包運行在操作系統(tǒng)WIN95/98/NT/2000下。

①硬件組態(tài)。為自動化項目的硬件進行組態(tài)和參數(shù)賦值。組態(tài)可編程控制器時，從電子目錄中選擇一個機架，并在機架中將選中的模塊安裝在所需要的槽上。組態(tài)分布式I/O與組態(tài)中央I/O一致。給CPU賦值參數(shù)的過程中，通過菜單的指導(dǎo)設(shè)置屬性，輸入的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊中。在向模塊作參數(shù)賦值的過程中，所有設(shè)置的參數(shù)都是用對話框來設(shè)置的，參數(shù)賦值向模塊的傳送是在CPU啟動過程中自動完成。功能模塊（FM）和通訊處理器（CP）的參數(shù)賦值，也在硬件組態(tài)工具中完成。

②網(wǎng)絡(luò)組態(tài)（NETPRO）。通過MPT，實現(xiàn)使用NETPRO時間驅(qū)動的循環(huán)數(shù)據(jù)傳送。選擇通訊站點;設(shè)置通訊連接。

（3）PLC與軟啟動器的通訊和設(shè)置

在軟啟動器上安裝3UF5模塊，通過Profibus總線與S7-300PLC上的CPU343-2通訊模塊進行通訊，通過壓力數(shù)據(jù)采集、計算由PLC程序自動執(zhí)行軟啟動和停止。通過RS232系統(tǒng)接口點對點通訊，軟件可以在線分配參數(shù)，操作、監(jiān)控和測試。

（4）PLC與其它器件的通訊

壓力信號檢測與設(shè)定及壓力閉環(huán)處理，壓力設(shè)定值都由上位機來設(shè)定，通過上位機（NP/DP卡）與S7-300可編程控制器上裝設(shè)CPU343-5通訊模塊進行通訊。

超聲波流量計信號檢測與存儲;超聲波液位計信號檢測與控制;各種開關(guān)量信號的檢測與控制。

1.3.2 上位機與S7-300可編程控制器的連接（PLC）

根據(jù)要求，系統(tǒng)采用兩級控制，現(xiàn)場控制站采用西門子S7-300系列PLC，通過PLC完成對過程參數(shù)的采集、運算和控制;監(jiān)控和管理級采用研華工業(yè)控制計算機，工控機通過與PLC數(shù)據(jù)的通訊，完成供水系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，數(shù)據(jù)的存儲、查詢和報表的生成。為保證監(jiān)控軟件的穩(wěn)定可靠和可擴展性，采用西門子WINCC監(jiān)控軟件。

現(xiàn)場控制站PLC與上位監(jiān)控計算機通訊時，采用RS232C點對點串行通訊接口。給RS232C加裝一個光隔電流環(huán)，可以隔斷工控機與PLC兩個地之間的聯(lián)系，極大地提高其抗干擾能力，提高了監(jiān)控計算機的抗干擾水平。

2 系統(tǒng)調(diào)試

（1）變頻器和軟啟動器參數(shù)按電機參數(shù)置入，調(diào)試變頻器和軟啟動器。

（2）閉環(huán)調(diào)節(jié)變頻器，利用變頻器本身PID調(diào)節(jié)，根據(jù)經(jīng)驗預(yù)置PID參數(shù)，水壓從0.1 MPa壓力設(shè)定開始調(diào)試，觀察變頻器在供水時快速反應(yīng)和穩(wěn)態(tài)狀況，然后再逐步過渡到良好狀況，此時PID值為設(shè)定的PID值。

（3）軟啟動器啟動泵后，觀察供水的穩(wěn)定狀況，調(diào)整軟啟動時間——電壓曲線。

軟停止泵后，觀察供水的狀況，調(diào)整軟停止時間——電壓曲線。

（4）調(diào)試PLC程序，將變頻器得出的PID值存儲在PLC中，進行多機聯(lián)合調(diào)試，測試相關(guān)參數(shù)，檢測軟件正確性。

（5）上位機與可編程控制器通訊，設(shè)定壓力進行調(diào)試，讀出所需電流、輸出頻率、流量、液位等參數(shù)并顯示，檢測軟件正確性。

（6）人為設(shè)定故障，觀察上位機及各報警狀況。

3 系統(tǒng)運行

（1）系統(tǒng)調(diào)試正常后，試運行;（2）系統(tǒng)運行半年后，對比改造前后，水泵變頻運行節(jié)約電能在15%左右。達到改造目的和效果。

4 結(jié)束語

采用變頻恒壓供水，消除了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質(zhì)量，減輕了工人勞動強度，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其限門的使用壽命。電機均為軟啟動，實現(xiàn)了電機的平滑無級調(diào)速，電網(wǎng)無沖擊電流，電機也消除了啟動時的瞬時高電流，也相對延長了電機的使用壽命。由于采用PLC控制的壓力自動控制，可以實現(xiàn)無人遠程操作。

參考文獻

[1] 王衛(wèi)兵，高俊山.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2010.

[2] 農(nóng)華. 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水加壓站的應(yīng)用[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展月刊， 2010（1）：55.

[3] 農(nóng)華 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水加壓站的應(yīng)用[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展， 2010（4）：23-24.

[4] 雷濟民， 易偉， 祝年俊，等. 變頻恒壓供水系統(tǒng)在金堂加壓泵站的應(yīng)用[J]. 西南給排水， 2009， 31（6）：37-41.

[5] 謝社平， 李大燕， 申建軍，等. 遙控遙測及變頻恒壓供水系統(tǒng)在邵東水司的應(yīng)用[J]. 城鎮(zhèn)供水， 2005（2）58.

[6] 趙勝亮. 水泵串聯(lián)技術(shù)在二次加壓泵站中的應(yīng)用[J]. 城鎮(zhèn)供水， 2005（2）：33-34.

[7] 文君， 汪引紅， 鄭濤. 變頻恒壓供水控制技術(shù)在泵站供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保， 2006（5）：69.

[8] 李楊. 水泵變頻調(diào)速恒壓供水電路的應(yīng)用[J]. 全文版：工程技術(shù)， 2016（5）：285-286.

[9] 包玉芝. 變頻器在礦井加壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 科技咨詢導(dǎo)報， 2007（29）：106-107.

[10] 張云昌. 變頻技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計， 2018（15）：236.