PLC变频恒压供水技术在水厂的应用
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摘要：随着变频调速技术和可编程控制器的飞速发展，以及其应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要装置之一，由于变频调速恒压供水设备具有节能、安全、高品质的供水质量等优点，在水厂供水中广泛应用。文章针对plc变频恒压供水技术在水厂的应用进行了阐述。
关键词：PLC；变频恒压；供水系统
中图分类号：TU99 文献标识码：A
PLC作为中心控制单元，利用变频器与PID结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果以及明显的节能效果。某水厂工程规模为24万吨/日，目前为12万吨/日。供水泵房安装卧式离心泵6台，其中4台250kW、380V水泵，2台315kW、380V水泵，每台泵出口装有一个电动蝶阀。出厂主水管装有压力传感器。供水管网安装压力测量装置，通过无线数传设备传至中控室。
1 变频恒压供水技术
变频恒压供水系统；它主要有PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力及控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。目前恒压供水调速系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化是未来供水设备适应城镇建设中成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程。早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但单泵电动机深度调速造成水泵、电动机运行效率低，而多泵型产品的投资更为节省，运行效率也高，被实际证明是最优的系统设计，因此很快发展成为主导产品。
2 变频恒压供水控制方式
2.1 带PID回路调节器和/或PLC的控制方式
在该方式中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。传感器是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入PLC或PID回路调节器经计算后，输给变频器一个频率控制信号。
由于变频器的频率控制信号是由PLC或PID回路调节器给出的，所以对PLC来讲，就要有模拟量输入/输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的PLC价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的PLC，则要在其数字量输出口端另接一块PWM调制板，将PLC输出的数字量信号转变为模拟量。这样，PLC的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的PLC和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的PLC差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
2.2 新型变频调速供水设备
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切换卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB公司的ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。这些产品将PID调节器以及简易PLC的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对PLC存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失真，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，在满足工艺要求的情况下应优先采用。
2.3 供水专用变频器
供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值（MPa）。
系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式，固定方式可选择"先开先关"和"先开后关"两种水泵关闭顺序，循环方式以"先开先关"的顺序关泵。
3 水厂变频恒压供水控制系统
3.1 系统结构
系统主要由ABB公司的PLC控制器、变频器，施耐德公司的软起动器、电机保护器、数据采集及其辅助设备组成（见图1）。
水厂二级泵系统有250kW水泵电机4台，315kW水泵电机2台，系统采用一台变频器控制多台水泵以循环方式工作，6台电机均可设置在变频方式下工作。中心控制器为PLC，以设定压力和反馈压力为控制目标，以PID为控制算法组成闭环控制系统。
系统实时采集水网参数、电网参数、电机温度、设备运行状态，达到优化运行、可靠保护、确保供水、节约电耗。以清水池水位、出口总管网水压为控制目标，以供水时间、季节为参考值，合理组合开泵台数，减少开停泵次数，达到稳定水压、节电供水之目的。
系统为每台电机配备电机保护器，是因为电机功率较大，在过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好运转，达到延长电机使用寿命的目的。
系统配备水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机正常运转工况。配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。
3.2 系统功能
水厂变频恒压供水控制系统是通过主水管网压力传感器测到的管网压力，经PLC的PID运算后，将控制信号送至变频器，调节变频器的输出频率，实现管网的恒压供水。为防止水锤现象的产生，泵的起停将联动其出口阀门。控制系统参见图2。
供水系统可实现以下功能：
（1）全自动平稳切换，恒压控制
①自动投切泵
泵的自动投切只有在PLC全自动控制方式下才能实现。变频器输出频率上、下限设为50Hz、30Hz。当变频器频率升至50Hz或降至30Hz，管网压力仍不能满足要求时，PLC将执行投/切泵程序。
当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器频率升至50Hz也不能保证管网的水压时，控制器的压力下限信号与变频器的上限信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若两台泵运转仍不能达到管网的压力要求时，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。
当用水量减小时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效（即输出频率为30Hz），这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水。另外，每台泵的电机累计运行时间可显示。
②起动程序
先检测清水池的水位和水泵真空度，如果水位达到起泵水位，水泵真空度已形成，则起动起泵程序，起动水泵。若水泵真空度不足，则先起动真空泵抽真空，如果真空度形成，同时清水池的水位也达到起泵水位，则可以开阀，起动水泵。如果抽真空失败或清水池的水位低于低水位，则关闭真空泵（只有抽真空失败时），停止起泵并报警。
③投泵程序
当变频器升至50Hz，而管网压力仍低于压力设定值时，PLC将开始计时，在规定时间内，若管网压力达到设定压力值，则PLC放弃计时，继续变频调压；若管网压力仍低于设定压力值，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。
④切泵程序
当变频器降至30Hz，而管网压力仍高于压力设定值时，PLC将开始计时，在规定时间内，若管网压力降低至设定压力值，则PLC放弃计时，继续变频调压；若管网压力仍高于设定压力值，PLC将切除恒压泵，同时变频器频率将升高，以满足管网压力要求；若管网压力仍高于压力设定值，PLC将会依次切除恒压泵，直至管网压力达到设定值。
⑤投切顺序
泵的投切将遵循"先投先切、先切先投"的切换控制方式。即水泵在切换时，PLC根据其运行状况，将其自动排列至运行队列或待运行队列中，在下次切换时，PLC将根据其排列顺序，自动投切水泵。当水泵出现故障时，PLC自动将其从切换队列中退出，以便维修人员对其进行维修，而系统仍在全自动控制方式下运行，实现变频恒压变流量供水。
⑥停泵程序
停泵时，先将出水阀门关闭，然后停泵。
（2）半自动运行
当PLC出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台或几台工频泵运行。
（3）手动当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，6台泵可分别以手动工频方式运行。
结语
综上所述，采用PLC 和变频器结合，系统运行平稳可靠，实现了真正意义上的无人值守的全自动循环切换水泵、变频运行，保证了各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转启动平稳，消除了启动大电流冲击，由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应。
参考文献
[1] 张新娟，梁镇杰.基于PLC的恒压供水控制系统[J].职业，2010（3）.
[2] 卢涛. 恒压调速供水系统应用概述[J].邯郸职业技术学院学报，2010（04）.