韓耀明

引言

曙三水源站日平均外輸水量500-800m3。站內(nèi)只有一臺(tái)4#外輸泵（型號(hào)：125SS39A，流量99m3/h）變頻運(yùn)行，該泵平均運(yùn)行頻率為44Hz。絕大多數(shù)時(shí)間，外供水量和所需揚(yáng)程均小于最大工況，導(dǎo)致站內(nèi)平均能耗偏高，不符合水源站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。

1.前期準(zhǔn)備

為了調(diào)整水源站運(yùn)行方式，降低運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)PLC變頻恒壓控制兩臺(tái)泵切換運(yùn)行，需要在外輸泵房新安裝一臺(tái)水泵。考慮到最小日外輸量的平均值，再根據(jù)用戶用水量與相應(yīng)的管網(wǎng)水壓變化情況，選擇了合適的泵型，新泵型號(hào)為：ISG80-160，流量50m3/h。

考慮到使用變頻恒壓供水系統(tǒng)后，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)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(tǒng)正常工作，對(duì)原有4#泵進(jìn)口閘閥的閘板進(jìn)行了加固處理。同時(shí)，為了便于觀察數(shù)據(jù)，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(shè)計(jì)是以水源站供水系統(tǒng)為控制對(duì)象，使用PLC控制結(jié)合變頻技術(shù)，設(shè)計(jì)一套恒壓供水系統(tǒng)，并保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。

PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有可編程控制器（及擴(kuò)展模塊）、變頻器、壓力變送器、水池液位計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中有1個(gè)清水池，2臺(tái)水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即2臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制兩個(gè)水泵切換，并根據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出變頻信號(hào)，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。

根據(jù)以上控制要求，確定了“通用PLC+變頻器+壓力傳感器（+人機(jī)界面）”恒壓控制方案。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。

3.系統(tǒng)硬件選型

系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括以下幾部分：PLC及其擴(kuò)展模塊、變頻器、壓力變送器、液位變送器等。

3.1 PLC及其擴(kuò)展模塊

PLC是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。本方案PLC選用德國(guó)SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。

3.2壓力變送器的選型

壓力變送器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?-5V或4-20mA的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊（A/D模塊）的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過(guò)程中的干擾與損耗，我們采用4-20mA輸出壓力變送器。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)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(jī)空載時(shí)會(huì)影響電機(jī)壽命，因此需要對(duì)水池水位作必要的檢測(cè)和控制。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位區(qū)間2.0m-3.9m，所以要通過(guò)液位變送器將檢測(cè)到的水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（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(bào)警信號(hào)，輸入PLC系統(tǒng)。綜合以上因素，本設(shè)計(jì)選擇沈陽(yáng)天維自動(dòng)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(cè)量。

4.系統(tǒng)的軟件分析與設(shè)計(jì)

硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)以下功能。

4.1系統(tǒng)恒壓要求

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，要保證管網(wǎng)水壓0.26MPa恒定。這一功能可通過(guò)比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時(shí)間濾波。

4.2兩臺(tái)泵自動(dòng)切換運(yùn)行

大部分時(shí)間，小泵運(yùn)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(tái)泵自動(dòng)切換運(yùn)行。當(dāng)變頻器達(dá)到相應(yīng)的閾值時(shí)，運(yùn)行泵自動(dòng)切換，變頻器始終拖動(dòng)運(yùn)行泵工作。

4.3安全運(yùn)行

為了保證水泵的安全運(yùn)行，防止抽空，有必要對(duì)水池水位進(jìn)行報(bào)警和必要的處理。因此設(shè)計(jì)要求：水位低于2m時(shí)，自動(dòng)切換時(shí)相應(yīng)的水泵不能啟動(dòng)，小泵降頻至15Hz運(yùn)行;水位低于0.2m時(shí)，泵機(jī)組將會(huì)停運(yùn)。

5.系統(tǒng)調(diào)試

初期編程思路是“用流量來(lái)控制泵的頻率、頻率控制泵的啟停”。因此，在程序最初設(shè)定的頻率值為小泵48Hz和大泵38Hz時(shí)互相切換，中間延時(shí)時(shí)間為1分鐘。但在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)因?yàn)榇笮”梅逯盗髁坎顒e太大導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁切換水泵。例如當(dāng)小泵運(yùn)行時(shí)，瞬時(shí)流量達(dá)到44m3/h，此時(shí)頻率為48Hz，延緩時(shí)間后自動(dòng)切換到大泵以40.5HE運(yùn)轉(zhuǎn)，而因大泵低于38Hz，按照程序又自動(dòng)切回到小泵運(yùn)行。大小泵切換時(shí)，外輸壓力下降，小泵就會(huì)在高頻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，頻率一旦超過(guò)限定值則又會(huì)切換，周而復(fù)始，從而導(dǎo)致大小泵來(lái)回振蕩運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)思考，上述問(wèn)題的原因是切換泵的頻率值差距過(guò)小，延緩時(shí)間較短。為此對(duì)程序進(jìn)行修正，保證在節(jié)能有效區(qū)內(nèi)拉大泵啟動(dòng)頻率值之間的差距，重新規(guī)定切換值分別為48Hz和38Hz;同時(shí)也將跳轉(zhuǎn)延遲時(shí)間增大到到5分鐘，從而避免了因管網(wǎng)壓力波動(dòng)頻繁造成的系統(tǒng)誤操作，增強(qiáng)了PLC恒壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6.運(yùn)行能耗分析

控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試確定后，PLC控制系統(tǒng)正式投用。實(shí)驗(yàn)期間詳細(xì)記錄了系統(tǒng)投用以來(lái)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(duì)比。

從記錄數(shù)據(jù)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(jiàn)，PLC恒壓供水控制系統(tǒng)的節(jié)能效果非常顯著。

7結(jié)論

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到以下結(jié)論：

（1）曙三水源站通過(guò)PLC模塊編程，結(jié)合PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)大小泵根據(jù)壓力和頻率自動(dòng)切換運(yùn)行。PLC技術(shù)的應(yīng)用，極大減輕站內(nèi)員工的工作量;

（2）曙三水源站通過(guò)對(duì)兩臺(tái)水泵進(jìn)行PLC技術(shù)變頻恒壓供水技術(shù)改造，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，使水源站供水單耗明顯降低;

（3）PLC技術(shù)應(yīng)用在外輸量波動(dòng)較大的水源站，輔以合理的泵型，該系統(tǒng)節(jié)能效果會(huì)更加明顯，因此具有廣泛的實(shí)用性和推廣性;

（4）PLC技術(shù)的可編程性還可以應(yīng)用在更多更復(fù)雜的供水企業(yè)站內(nèi)工藝流程中，可以完全滿足供水泵站自動(dòng)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。