PLC控制的無(wú)負壓穩壓給水設備系統設計

無(wú)負壓穩壓給水設備概述

    變頻調速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機無(wú)級調速驅動(dòng)技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性被廣泛應用在速度控制領(lǐng)域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著(zhù)嚴格要求，變頻調速技術(shù)也得到了更加深入的應用。

    自來(lái)水廠(chǎng)日產(chǎn)水量60萬(wàn)噸，擔負著(zhù)市區及周邊地區70%以上的供水任務(wù)。自1999年年底六廠(chǎng)的三期工程投產(chǎn)后開(kāi)始向縣供水，使得我廠(chǎng)的供水方式從單一的重力流供水變?yōu)橹亓α骱蛪毫α鹘Y合供水的方式。自向縣供水以來(lái)，由于考慮到現階段郫縣的用水量較少，從節約能耗的角度出發(fā)，我廠(chǎng)使用一臺泵同時(shí)向縣供水和提供我廠(chǎng)的自用高壓水。為了滿(mǎn)足六廠(chǎng)自用水壓力，保證廠(chǎng)內各個(gè)工藝環(huán)節設備（如消毒環(huán)節中的水射器）能正常工作，我廠(chǎng)自用水壓力須較恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用變頻調速控制是保證壓力恒定較為有效的方法。根據我們對縣城區供水量的了解，發(fā)現縣全天各時(shí)段用水量變化較大（見(jiàn)后圖5），如果不對供水量進(jìn)行調節，管網(wǎng)壓力的波動(dòng)也會(huì )很大，容易出現管網(wǎng)失壓或爆管事故。采用變頻恒壓供水控制后，當縣用水量較小時(shí)，這時(shí)相應管道和泵出口壓力均較大，變頻恒壓控制方式將會(huì )降低泵的頻率，減小泵出水量，從而降低管網(wǎng)壓力；反之亦然。這樣，小時(shí)用水量變化較大也不會(huì )造成管網(wǎng)壓力有較大的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)長(cháng)期運行實(shí)踐，證明了變頻調速手段實(shí)現恒壓供水不僅保證廠(chǎng)內自用高壓水壓力足夠且穩定，而且保證了縣供水的安全可靠性。

 

無(wú)負壓穩壓給水設備控制系統構成

    整個(gè)恒壓供水系統有兩組變頻泵，每組均由一臺變頻器和一臺水泵組成；系統以PLC為控制核心，由PLC采集壓力信號和輸出控制變頻泵的運行?？刂葡到y構成如圖1所示。

 

    PLC處理器選用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器，變頻泵選用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的變頻器和水泵。系統由兩只量程為0~1.0Mpa的壓力變送器分別檢測兩臺水泵后的輸水管道的壓力，壓力變送器將檢測到的壓力信號轉換為4~20mA的電流信號，送到PLC子站的模擬量輸入模板（1771-IFE），通過(guò)PLC的PID運算，由模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出4~20mA的電流控制變頻泵的運行。

 

無(wú)負壓穩壓給水設備控制原理及功能實(shí)現

    3.1 PLC控制系統簡(jiǎn)介

    我廠(chǎng)采用Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器通過(guò)DH+通訊方式構建了全廠(chǎng)PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)DH+網(wǎng)絡(luò )上的RSView工作站實(shí)現人機對話(huà)。RSView工作站是指運行人機圖形界面軟件（RSView32）的計算機工作平臺，該工作站建在中心控制室，是實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)無(wú)人值守和運行集中管理的調度中心。利用RSView32可以有效地對控制過(guò)程進(jìn)行監視和控制，可以實(shí)現圖形化的人機對話(huà)界面，模擬生產(chǎn)運行的流程，在模擬流程上更加直觀(guān)地實(shí)現生產(chǎn)流程的全自動(dòng)運行監視、遠程人工直接干預操作（如PID指令運行參數遠程設定）、控制環(huán)節報警監視等功能?？刂平缑嫒鐖D2。

 

圖2 變頻恒壓供水系統控制圖形界面（RSView工作站）

    3.2 恒壓供水的控制原理

    SAMI STAR變頻器具有REMOTE和LOCAL兩種操作方式。LOCAL操作方式下，通過(guò)LOCAL START/STOP開(kāi)關(guān)啟停變頻器，通過(guò)f REF LOCAL INPUT0 輸入端口的電位開(kāi)關(guān)人工調節變頻器工作頻率；通過(guò)LOCAL/REMOTE輸入點(diǎn)可以將變頻器切換到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通過(guò)REMOTE START/STOP輸入點(diǎn)進(jìn)行PLC遠程啟停變頻器，通過(guò)f REF REMOTE INPUT0端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率。根據供水量情況，我們把變頻器的工作頻率上限設定為水泵基頻，即頻率變化范圍控制在0~50Hz，在此范圍內水泵運行頻率和定子相壓成正比（及與變頻器輸入頻率成正比），這使得變頻器輸入、水泵運行頻率和泵的輸出壓力成較好的線(xiàn)形關(guān)系，可得到較好的控制效果。SAMI STAR變頻器對用戶(hù)開(kāi)放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE INPUT0、4~20mA信號輸入）；X11-15/16（輸出4~20mA變頻器運行頻率信號）；X11-17/18（輸出4~20mA變頻泵運行電流信號）。變頻器由PLC遠程控制時(shí)，啟動(dòng)是由PLC向X11-4輸出信號，使變頻器切換到外部設備控制方式（REMOTE方式），再向X11-1輸出信號，啟動(dòng)變頻器。在恒壓調節時(shí)，PLC處理器把檢測到的壓力信號作為反饋值，與PID運算的壓力設定值（由調度人員根據情況在REView上設定）進(jìn)行比較，再經(jīng)過(guò)PID運算得到調節后的修正值，通過(guò)模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出到X11-13/14，作為REMOTE方式下變頻器的頻率控制信號，由于該信號是相對變頻器工作頻率上限的百分比，所以變頻器將輸入信號進(jìn)行內部運算后轉為真實(shí)工作頻率。

    為了使三期變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統與全廠(chǎng)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )有機地結合起來(lái)，全面實(shí)現對恒壓供水系統的運行情況和設備運行進(jìn)行監視和遠程控制，更加安全可靠地實(shí)現恒壓供水，我們使用PLC進(jìn)行PID運算和監控。PID閉環(huán)反饋控制原理如圖3：

 

    PLC的PID運算調節通過(guò)該型處理器專(zhuān)用PID指令完成，通過(guò)設置各參數即可由PLC完成PID運算調節。PID程序段流程如圖4。PID指令必須以相同的時(shí)間間隔周期性地執行，可采用計時(shí)器，定時(shí)中斷或實(shí)時(shí)采樣的等方法，此處選用了定時(shí)方法；PV是PID指令采樣的壓力控制反饋值，SP是PID指令的壓力控制設定值，KP為PID的比例增益，KI為PID的積分增益，KD為PID的微分增益，這五個(gè)控制參數作為主要的PID參數參與控制，確定PID參數時(shí)要兼顧系統靈敏性和穩定性，由于我們恒壓控制要求和設備的性能條件，參數設定更強調穩定性（及KI），由于微分環(huán)節有放大噪聲的特點(diǎn)，我們將KD盡量設置得較??；SWM為PID指令轉為手動(dòng)直接調頻的開(kāi)關(guān)，SO設定為PID指令的在手動(dòng)控制輸出方式時(shí)的輸出值，當變頻器從PID自控調節轉為手動(dòng)直接調頻時(shí)，SO替代PID運算結果作為轉換時(shí)的輸出值，將SO設定為控制值就可實(shí)現無(wú)縫轉換，減小變頻器運行頻率的震蕩。DB為PID指令的死區設定值，輸出超出死區時(shí)PID指令通過(guò)自動(dòng)運算限制輸出超出限定范圍。

    3.3 相關(guān)控制功能實(shí)現

    為了防止運行時(shí)由于壓力變送器不可預見(jiàn)的故障造成PLC的PID運算調節失實(shí)，從而造成管網(wǎng)壓力失恒引發(fā)失壓或爆管的嚴重事故。我們分別在1#和2#變頻泵后輸水管上安裝壓力變送器，可以同時(shí)測到出廠(chǎng)輸水管線(xiàn)上的壓力；在PLC程序上對壓力信號進(jìn)行了相應的處理，在程序中設置選擇軟開(kāi)關(guān)，調度人員可以在RSView上將其中一臺壓力變送器的值設定為“控制反饋值”，另一臺壓力變送器的值則設為“參考反饋值”（見(jiàn)圖2：變頻恒壓供水系統控制圖形界面（RSView工作站））；對1#壓力和2#壓力值進(jìn)行比較，相差0.1Mpa時(shí)，判斷為，其中一只壓力變送器出現故障，變頻器控制轉換為遠程直接手動(dòng)調頻控制（通過(guò)RSView設置運行）。壓力變送器正常工作時(shí)，“控制反饋值”經(jīng)過(guò)平均濾波處理后，分別比較壓力報警上限和下限值，如果超出控制范圍，變頻器控制轉換為遠程直接手動(dòng)調頻控制，否則“控制反饋值”作為PID調節的參數PV。

    同時(shí)為了在就地手動(dòng)控制實(shí)現在控制現場(chǎng)對變頻泵進(jìn)行開(kāi)?？刂坪瓦\行數據監視。我們在變頻泵工作現場(chǎng)安裝了A-B公司的PanelView圖形工作終端，該工作終端提供圖形交互界面和觸摸輸入方式，以從站的方式與PLC進(jìn)行通信，進(jìn)行數據和控制命令的交換，提供就地監控操作的通道。

 

無(wú)負壓穩壓給水設備運行效果分析

    4.1 有效保證縣供水和我廠(chǎng)自用水壓力穩定，提高我廠(chǎng)供水安全可靠性

    圖5為數據庫采集的2001年某日我廠(chǎng)恒壓變頻泵出水壓力、頻率變化以及郫縣供水和自用水流量、管網(wǎng)壓力數據關(guān)系圖。

    從圖中數據可看出縣小時(shí)供水量變化很大，如果采用定速泵進(jìn)行供水必然會(huì )導致高峰供水時(shí)段內管網(wǎng)供水壓力不足，夜間用水量較小時(shí)管網(wǎng)壓力過(guò)高，造成爆管現象。采用變頻恒壓控制后，變頻器的頻率隨縣用水量的變化而變化，及時(shí)調節我廠(chǎng)對郫縣供水量，從而使郫縣城區管網(wǎng)壓力在一個(gè)較小的范圍內變化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，雖然我廠(chǎng)自用水秒流量變化不大，但由于我廠(chǎng)自用水和縣供水為同一水泵加壓后，分作兩條支流，縣用水量的變化必然也會(huì )導致自用水壓力不穩定，采用恒壓變頻控制方式，基本克服了這種變化因素。從上圖曲線(xiàn)也可看出，我廠(chǎng)自用水壓力基本恒定不變。這樣保證了我廠(chǎng)加氯水射器等重要設備的正常工作，保證了正常的消毒工藝流程，從而保證我廠(chǎng)出廠(chǎng)水水質(zhì)，提高我廠(chǎng)供水的安全可靠性。

    4.2 高效節能

    通過(guò)采用變頻調速恒壓控制，可在不同季節、全天不同時(shí)段內有效即時(shí)地調控水量，這樣在用水量較低時(shí)，大大節約供水量，減少電耗。

    在設定壓力內跟隨用水量供水，避免了傳統供水方式的損耗，降低噸水消耗。

    4.3 提高自動(dòng)化水平

    根據我廠(chǎng)建立自動(dòng)控制系統的原則“分散控制、集中管理、現場(chǎng)無(wú)人值守”，無(wú)負壓穩壓給水技術(shù)的應用提高了我廠(chǎng)自控系統的整體水平，真正作到了操作簡(jiǎn)便安全，現場(chǎng)無(wú)人職守，運行安全可靠。

 

中贏(yíng)無(wú)負壓穩壓給水設備產(chǎn)品概述：

      中贏(yíng)無(wú)負壓穩壓給水設備是我公司專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員在氣壓給水設備的基礎上開(kāi)發(fā)的一種能直接與自來(lái)水管網(wǎng)連接、且對自來(lái)水管網(wǎng)不產(chǎn)生任何負作用的成套給水設備。它可以取代蓄水池，能直接供水或間接供水，形成連續密閉的接力增壓供水方式。避免了二次增壓供水系統造成的能源的二次浪費和二次污染，我公司生產(chǎn)的設備與其它廠(chǎng)家的產(chǎn)品不同，因解決了自動(dòng)采樣控制等有關(guān)技術(shù)方面問(wèn)題。而采用的是隔膜式負壓罐，完全保證水源與空氣隔絕。絕對保持了市政水質(zhì)標準；充分利用市政水源本身壓力勢能，差多少，補多少，切實(shí)有效地、最大限度地發(fā)揮了變頻調速的節能效果；大幅度地節省了基建投資并縮短了施工工期。

產(chǎn)品設計中很好地解決了接力增壓供水方式帶來(lái)的2大問(wèn)題：

1) 水泵大幅變工況運行問(wèn)題。設計了全變頻控制系統?？筛玫倪m應于水泵在大幅工況運行問(wèn)題。

2) 特別配套設計了各種緩沖罐、水源罐，對市政水源有很好的緩沖與削峰補償作用，避免對市政水源的過(guò)度抽吸。 產(chǎn)品設計充分考慮應用的靈活性，自適應性強，可滿(mǎn)足不同用戶(hù)具體工程應用要求的差異。

 

中贏(yíng)無(wú)負壓穩壓給水設備工作條件：

具有足夠承重能力的混凝土平臺或能保證正常工作要求的平整地面

電源：TN-S制、3相5線(xiàn)、380V（+10%、-15%）、50Hz（±5%）、接地電阻小于4歐

環(huán)境：室內安裝使用、0-40℃不凍結、90%RH以下不結露、無(wú)腐蝕、易燃、易爆氣體

海拔1000m以下，5.9m/s（0.6g）以下。

 

中贏(yíng)無(wú)負壓穩壓給水設備產(chǎn)品特點(diǎn)：

1、 無(wú)需建高位水箱、地面（地下）水池水箱-潔凈衛生、高效、節能、節資

      經(jīng)濟衛生、充分利用市政水源本身壓力勢能，最大限度地發(fā)揮了變頻調速的節能效果。實(shí)踐證明：使用直聯(lián)式中贏(yíng)無(wú)負壓穩壓給水設備可節省50%以上的興建水池費用，與其他供水設備相比，可節電20%-40%。

2、 運行噪聲低

      采用變頻調速運行，特別是采用全變頻控制系統，大部分時(shí)間特別是夜間處于低速低噪聲運行工況。

3、 采用全密閉的兼有緩沖及動(dòng)態(tài)補償作用的隔膜罐，與目前市場(chǎng)上的普通無(wú)負壓給水設備更有實(shí)際意義。并使控制系統得以簡(jiǎn)化。

4、 產(chǎn)品先進(jìn)，質(zhì)量可靠，標準化程度高，通用性好

      采用規范通用的控制系統技術(shù)方案，產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件,如:電機、水泵軸承、變頻器、調節器、PLC、和其他元器件采用了國際、國內名牌，還可換用任意廠(chǎng)商的相應部件，調試維修方便。

5、 功能全、智能化程度高，自適應性強

      中贏(yíng)無(wú)負壓穩壓給水設備采用了先進(jìn)的變頻控制技術(shù)、軟起動(dòng)、有過(guò)載，短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)熱和失速保護等功能。在異常情況下能進(jìn)行信號報警、自檢、故障判斷等，還可根據用水量的高低自動(dòng)調節供水流量。變頻器故障時(shí)自動(dòng)降級運行（成為工頻自動(dòng)給水設備），自動(dòng)系統故障時(shí)，還可手動(dòng)操作應急備用，贏(yíng)得維修時(shí)間。

6、 個(gè)性化設計、壽命長(cháng)

      若用戶(hù)需要，可設計符合用戶(hù)需要參數的設備及安裝形式。

可按要求選配各種通訊接口、協(xié)議，從而可連接各種人機界面、監控計算機、可與各種控制網(wǎng)絡(luò )、通信網(wǎng)絡(luò )相接，適用于特殊、復雜的運行控制和聯(lián)網(wǎng)監控要求?？蔀橛脩?hù)開(kāi)發(fā)配套監控軟件。 

 

中贏(yíng)無(wú)負壓穩壓給水設備主要用途：

 適用于任何自來(lái)水壓力不足地區的加壓供水。

 1、工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水及各種補水系統；

 2、新建住宅小區或寫(xiě)字樓生活用水；

 3、已建好的水池，可以采用無(wú)負壓供水設備與水池共用的供水方式，進(jìn)一步節能；

 4、對原有氣壓供水設備進(jìn)行改造，可以充分利用原有的氣壓罐；

 5、各種循環(huán)系統，自來(lái)水廠(chǎng)的中間加壓泵站。