硅谷雜志:全自動恒壓供水用PLC控制變頻器實現

 

    據《硅谷》雜志2012年第21期刊文稱，PLC自動控制供水設備是在繼電器控制供水設備的基礎上，利用PLC取代通用繼電器、定時器控制的最新技術。而變頻調速器目前也因其比傳統的高位水箱、水塔等供水方式，有諸多優勢。而成為恒壓供水設備的主體。茂名市自來水公司河東水廠利用PLC控制變頻器實現自動恒壓供水安全運行六年，效果良好。

    茂名市自來水公司河東水廠供水泵房95年投入生產，日處理水量20萬t/d，現階段，采用的控制系統就是可編程控制器（簡稱PLC）控制變頻調速技術，投入生產以來運行狀況良好，收到良好的經濟效益。

1、全自動恒壓供水設備的構成及基本工作原理

    1.1全自動恒壓供水設備的構成

    河東水廠供水泵房采用一臺變頻器（660V500KW），控制的變頻電機是（10KV450KW），一臺可編程控制器及一些輔助電氣控制元件，和現場的六臺（10KV450KW）水泵機組、出廠壓力傳感器一起組成一個完整的閉環自動控制系統。變頻器采用ABB公司生產的ACS600型變頻器，帶有DTC直接轉矩控制，靜態速度控制精度為標稱速度的0.1%到0.5%，它還具有多種保護功能，控制盤上可以同時顯示4行功能信息，每行20個字符，有四種快速編程語言可供選擇，ACS600內部建立的應用宏意味著你只需按鍵就可以選擇相應的宏，帶有文字顯示的控制盤使你不必查書中的代碼就可進行快速編程，所有的參數被分成邏輯組，操作方便。PLC用的是THYSSEN公司產品，由于考慮到今后的發展我們采用的是模臺塊式結構，這樣的好處是配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修。

    1.2全自動恒壓供水工作原理：

    該全自動恒壓供水系統的工作原理，如圖1所示，在出廠管上安裝一壓力。

    傳感器，出廠水壓通過變送器輸出4~20mA信號，此信號由PLC采樣并與壓力設定信號比較，求出其偏差。PLC控制程序根據偏差的大小再經PID運算，最后通過模擬輸出口，輸出一個控制電流4~20mA信號，此控制信號改變了變頻調速器的輸出頻率，從而改變了水泵電機的轉速。減少壓力偏差E=PS（設定值）—PC（出廠壓力），當壓力偏差E為正值并持續時間T>6秒，同時變頻調速器的輸出頻率FC=50HZ持續時間T>5秒時，PLC進行檢測定速泵的運行時間，按時間少的順序啟動定速泵，相反E為負值持續時間T>6秒、FC達到最低設定值持續時間T>5秒時，按運行時間多的順序停止定速泵運行，經反復調節最終使管網出口壓力與設定值保持一致，壓力偏差E=0，實現了恒壓變量自動供水。

    另外，可以通過中控室計算機對泵房的工作情況進行監控，把配套恒壓供水設備的壓力信號、水廠供水的流量信號和水泵工作的電流、電壓、功率信號，通過數據轉換傳送到計算機內，PLC之間采用光纜通訊，在計算機上可畫出各種參數的控制曲線和數據統計報表，并將當前數據存儲起來，留作打印或以后查詢之用，從而也提高了水廠的自動化管理水平。

 

2、PLC控制變頻恒壓自動供水設備節電效果分析

    在供水行業中，電能是在企業成本管理中最有挖掘潛力的一項，茂名市河東水廠多年來始終把節能降耗工作放在首位，并把耗電大戶供水泵房作為重點來抓，根據我廠的工藝流程，工程技術人員不段的采用新技術進行積極的探索。在所有的供水泵房系統操作中，管網壓力是由水泵通過電動機的拖動產生的。

    根據流量Q與流量阻力h按阻力定律變化，

    即：h=R×Q2（1）

    水泵的功率N與水泵的揚程和流量成正比，

    即：N=H×Q×r/102（千瓦）（2）

    式中：r-水的重度（公斤/立方米）H-水泵的揚程（米）

    Q-水泵的流量（立方米/時）

    從（2）水泵的H—Q曲線與（1）管網的阻力曲線相交，得出特性曲線圖2可見，若水泵額定轉速為n1，當出口閥門全開時，管道阻力為R1，這時的流量為Q1、揚程為H1，水泵的工作在K1點效率最高，此時水泵功率N是Q1和H1的乘積與矩形H1-K1-Q1-O的面積成正比，如：當關小了

    水泵出口閥門的開度，而當流量減少為Q2時（如效率50%），系統由原來的

    工況點K1變到新的工況點K2，這時管道的阻力增加為R2，揚程H1升高到H2，原矩形面積變為矩形H2-K2-Q2-O面積，兩個矩形的面積相差不大，說明通過調整閥門開度來改變流量，水泵的功耗變化不大。換句話說，通過開關閥門進行節流調節，并不能使功耗有效地減少。

    那么，在供水系統中，通過什么途徑能達到節能目的呢？我們知道，通常供水系統運行中，隨著用水量的變化，相應有供水量的變化，從流量Q1減少到Q2，我們只需采用變頻調速器改變交流電的頻率，電動機的轉速就按比例變動，電動機的轉速n與電源頻率f的關系如下式所示：

    n=60×f×（1-S）/P

    式中：P-極對數；S-轉差數。

    從n1變為n2，流量由Q1減少到Q2時，管網阻力特性曲線R1維持不變，水泵由工況點K1變到新的工況點K3點，揚程H1大幅度下降H3，矩形H1-K1-Q1-O面積減少為矩形H3-K3-Q3-O的面積，兩個矩形面積相差許多，節省的功率損耗N與面積H3-K3-Q3-O成正比，水泵軸功率與其轉速的三次方成正比，即P2=P1（n1/n2）3，水泵功率N顯著下降。ACS600變頻器DTC提供精確的轉矩控制，當電動機的轉速下降時，DTC控制電機轉矩平穩的降低，電流明顯降低，其功耗大幅度減少。所以，在供水系統中采用變頻調速，可以在流量變化運行時，節約電能，多年來的運行，我們研究發現在流量變化較大時，其節能效果十分可觀。從水泵的特性曲線可以得知，改變水泵轉數n可以有效的改變水泵的功耗。有一種液力偶合調速器也可以有效的調節水泵的轉數，其過程控制原理為液力偶合調速器通過調節偶合介質來改變輸出速度，當水泵由n1轉為n2得知水泵的功耗大幅降低，但電機的轉數n1并沒有變，電機同樣是在額定功率運轉，雖然實現了自動恒壓供水，但節能效果并沒有明顯體現出來。3技術性能

    PLC控制變頻調速實現全自動恒壓供水是調節供水的一項新技術，已經在供水行業中得到了廣泛的應用，茂名市河東水廠全自動恒壓供水系統，運行六年來，技術性能穩定，效果較好，其中：

    1）設備的利用率均衡，茂名市河東水廠供水泵房，在運行過程中定速泵的啟動是通過計算機檢測運行時間進行啟動，這樣就避免了設備利用不均衡的現象。

    2）保護功能完善，當水泵、控制系統、變頻器發生故障時，在上位機都會發出聲光報警信號，并記錄、打印。

    3）當個別定速泵發生故障不能起動時，系統也不會停止供水，在系統發出報警的同時，會按時間選擇起動另一臺定速泵，保證供水。

    4）控制系統可靠，在上位機采用兩種控制方式：一種是PLC控制，即按編程控制，二種是VDU控制，就是在計算機上進行手動調節。

    5）有完善的管網保護系統，PLC通過模擬量輸入信號檢測的方法檢測出實際壓力值，然后根據所設定壓力上/下限值進行管網超壓/欠壓的故障判斷，并完成相應的系統故障報警。而且，當主管線爆裂，泵機出口壓力突然降低至3bar時，系統會停止供水。這就有利于實現對管網系統的良好保護，進一步提高供水系統設備使用壽命。

    6）系統的缺點是，系統選擇一臺變頻泵，定速泵的流量、揚程相同，在壓力設置不當時，會產生控制盲區。即：系統供水壓力達不到設定壓力，起動一臺定速泵又壓力偏高，從而造成定速泵頻繁起動。

 

4、小結

    1）PLC自動控制供水設備是在繼電器控制供水設備的基礎上，利用PLC取代通用繼電器、定時器控制的最新技術，可編程控制器的特點是功能強、操作靈活、使用方便、抗干擾能力強、可靠性高、體積小、能耗低，適合在工業環境下應用。

    2）目前變頻調速器已成為恒壓供水設備的主體，它不僅可以完全取代傳統的高位水箱、水塔等供水方式，而且也消除水質的二次污染，更具有節省能源、自動化程度高、供水操作方便、提高經濟效益等優點。

    3）變頻器在供水上的應用，能夠減少管網壓力的波動，使管網壓力趨于平穩，PLC參與控制，使全自動恒壓供水系統更加智能化，更加完善，可靠性高，穩定性好，響應快，從而降低員工的勞動強度。茂名市自來水公司河東水廠全自動恒壓供水系統的應用，不僅產生巨大的經濟效益，也促進了企業的技術進步。