摘要：作者介紹了一種以PLC-變頻器和軟啟動(dòng)器為核心系統(tǒng)在供水加壓站中的應(yīng)用。它不但成功地運(yùn)行用變頻調(diào)速的技術(shù)優(yōu)越性，解決了供水管網(wǎng)壓力變幅大的問(wèn)題，而且比一般的PLC-變頻器控制系統(tǒng)節(jié)約了投資成本，同樣達(dá)到節(jié)能、節(jié)資的目的，在目前的城市恒壓供水中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值和研究?jī)r(jià)值，值得同行借鑒。
關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 軟啟動(dòng)器 恒壓供水 加壓站
一、前言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，穩(wěn)定的水壓、優(yōu)良的水質(zhì)成了現(xiàn)代人們生活的必需要求。但工業(yè)發(fā)展對(duì)水資源的污染讓現(xiàn)代水廠必須遠(yuǎn)離污染源，都設(shè)在了水源的上游，從而導(dǎo)致供水管網(wǎng)過(guò)長(zhǎng)，在管網(wǎng)的末端水壓過(guò)低，使得該區(qū)域的用戶生活受到了影響，于是，設(shè)在城市中心或管網(wǎng)末端的供水加壓站在城市供水系統(tǒng)中就顯得極其重要。另一方面，由于城市人口密集，用水量隨機(jī)性、變化幅度大，因此，供水加壓站的設(shè)計(jì)即要滿足比較大負(fù)荷（用水量）運(yùn)行，又要避免負(fù)荷變化引起的管網(wǎng)壓力驟然增大或減小而破裂的問(wèn)題。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用頻繁地對(duì)水泵、電機(jī)啟停的方法，不但縮短了它們的機(jī)械壽命，而且增加了維護(hù)和維修的費(fèi)用，而且造成了電能的浪費(fèi)。這里介紹一種由PLC-變頻器和軟啟動(dòng)器的加壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用，它能很好地解決了上述的問(wèn)題。

二、系統(tǒng)概述及工作原理
本文以一個(gè)典型的供水加壓站為例子，該系統(tǒng)的主要設(shè)備配置如下：
PLC-變頻器和軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)由1個(gè)PLC控制站、2臺(tái)變頻器、2臺(tái)軟啟動(dòng)器、壓力變送器、綜合保護(hù)器、液位計(jì)及4臺(tái)潛水泵等組成，如圖1。4 臺(tái)水泵中2臺(tái)大泵的流量是5000m3/h，電機(jī)為150kW；2臺(tái)小泵流量3000m3/h；電機(jī)為85kW。兩臺(tái)變頻器控制1大1小的水泵，兩臺(tái)軟啟動(dòng)器控制另外兩臺(tái)水泵。在出水總管上安裝有壓力變送器探測(cè)管網(wǎng)的壓力，在清水蓄水池裝有液位計(jì)，檢測(cè)水池的液位并將信號(hào)送至PLC。每臺(tái)潛水泵機(jī)都配有1臺(tái)的綜合保護(hù)器（安裝在變頻器或軟啟動(dòng)機(jī)柜內(nèi)），它收集機(jī)組的軸承溫度、繞組溫度、漏水報(bào)警信號(hào)、絕緣信號(hào)等。
具體工作原理：
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按一大一小的正常運(yùn)行方式運(yùn)行，由一臺(tái)變頻器和一臺(tái)軟啟動(dòng)器工作，根據(jù)管網(wǎng)的壓力增加或減少運(yùn)行泵的數(shù)量，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式：
（1）手動(dòng)工作方式
每臺(tái)變頻器柜和軟啟動(dòng)柜在面板上都有手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕，當(dāng)打在“手動(dòng)”檔時(shí)，可通過(guò)柜面的控制按鈕進(jìn)行控制，工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)決定開(kāi)/停水泵，并設(shè)為比較優(yōu)先控制級(jí)，不受PLC或控制室的控制，以保證檢修或出現(xiàn)故障時(shí)的安全使用。
（2）自動(dòng)工作方式
2.1一大一小的運(yùn)行方式
根據(jù)區(qū)域供水條件的要求，加壓站的常規(guī)供水流量按一大一小運(yùn)行流量設(shè)計(jì)，即1臺(tái)大的變頻器加1臺(tái)小軟啟動(dòng)器或1臺(tái)小的變頻器加1臺(tái)大的軟啟動(dòng)器，保證有1臺(tái)的變頻器工作。當(dāng)用水處于高峰時(shí)，用水量增時(shí)，管網(wǎng)的壓力就會(huì)降低，安裝在出口處的壓力變送器就把壓力信號(hào)傳送到變頻器，變頻器與給定的壓力（可通過(guò)電位器或PLC給定）相比較，通過(guò)內(nèi)部PID運(yùn)算，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)，如壓力繼續(xù)降低，則變頻器調(diào)節(jié)輸出頻率，提高水泵的轉(zhuǎn)速，直至壓力升高到給定值，然后繼續(xù)穩(wěn)定工作。如在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，管網(wǎng)的壓力恢復(fù)，則輸出頻率不變。如用水量小，壓力上升，同樣變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，直至達(dá)到壓力穩(wěn)定為止。這樣，給定壓力—變頻器—反饋壓力—給定壓力就形成了單循環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的來(lái)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的。

 

2.2多泵或單泵運(yùn)行方式
當(dāng)系統(tǒng)在一大一小運(yùn)行達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，即變頻器工作在工頻50Hz時(shí)，PLC即可對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)，若在一定的時(shí)間段內(nèi)，壓力仍小于給定的壓力，PLC就自動(dòng)啟動(dòng)另處一臺(tái)變頻器或軟啟動(dòng)器，變頻器再自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，直到壓力達(dá)到給定值，如運(yùn)行的變頻器輸出頻率已在50Hz，壓力還達(dá)不到要求，則要啟動(dòng)比較后一臺(tái)水泵，直至壓力上升到給定值。
而當(dāng)系統(tǒng)在一大一小的方式運(yùn)行，而變頻器的輸出頻率低于某一值（一般為30Hz左右）時(shí)，管網(wǎng)的壓力仍高于給定的壓力，PLC也自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，在一定的時(shí)間段內(nèi)，如果壓力仍高于給定值，PLC就自動(dòng)停止軟啟動(dòng)器的運(yùn)行，由單臺(tái)的變頻器運(yùn)行，直至壓力降低為止。

2.3PLC的工作
PLC在本系統(tǒng)中主要通過(guò)RS485通信接口讀取變頻器、軟啟動(dòng)器上傳的頻率、壓力及各水泵的故障信息等，并依此對(duì)水泵的開(kāi)/停進(jìn)行控制，同時(shí)記錄每臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)高低壓配電系統(tǒng)如絕緣、過(guò)壓、過(guò)流等監(jiān)測(cè)。

2.4故障的處理
在供水加壓站的設(shè)備不多，所以比較主要的故障來(lái)源于潛水泵和變頻器或軟啟動(dòng)器本身。由于每臺(tái)的潛水泵都由配有單獨(dú)的綜合保護(hù)器，當(dāng)潛水泵發(fā)生故障如軸承溫度、繞組溫度、漏水、絕緣報(bào)警時(shí)，綜合保護(hù)器就會(huì)根據(jù)故障的類型、或輕重程度決定是否先停止運(yùn)行該潛水泵，同時(shí)將故障信號(hào)傳到變頻器或軟啟動(dòng)器，再通過(guò)變頻器或軟啟動(dòng)器RS485接口報(bào)知PLC，在PLC系統(tǒng)發(fā)出停止信號(hào)和發(fā)出聲光報(bào)警，以通知工作人員及時(shí)處理。而變頻器或軟啟動(dòng)器本身故障時(shí)，也通過(guò)RS485的接口上傳故障信號(hào)至PLC，PCL發(fā)出報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)發(fā)出停止信號(hào)。

三、系統(tǒng)主要設(shè)備的配置及PLC軟件設(shè)計(jì)
（1）變頻器和軟啟動(dòng)器的配置
在一般的控制系統(tǒng)中變頻器的輸出頻率是通過(guò)PLC來(lái)控制，即由PLC采集壓力信號(hào)，并進(jìn)行PID運(yùn)算，然后再輸出頻率信號(hào)，變頻器根據(jù)此信號(hào)來(lái)決定輸出。在本系統(tǒng)中采用了變頻器自身控制的方法，變頻器用的是CFC-1000系列產(chǎn)品，軟啟動(dòng)器用的也是施耐德CMC-S系列產(chǎn)品，這種型號(hào)的變頻器內(nèi)部自帶PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，它可以接受現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，與給定的壓力參數(shù)比較，調(diào)節(jié)輸出，平穩(wěn)地控制了管網(wǎng)的壓力。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，就可省去了對(duì)PLC存儲(chǔ)容量 和PID算法的編程，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。
（2）PLC控制系統(tǒng)的配置
由于PLC在本系統(tǒng)中只承擔(dān)“總監(jiān)總控”的角色，而且PLC與變頻器和軟啟動(dòng)器的通信是通過(guò)RS485接口進(jìn)行，所以配置較為簡(jiǎn)單，除CPU模塊、通信模塊、電源模塊外，只配置了16點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸入模塊1塊，8點(diǎn)模擬量輸入模塊1塊，主要的輸入信號(hào)來(lái)源于配電系統(tǒng)中的開(kāi)閘合閘、手動(dòng)/自動(dòng)、電流、電壓、有功功功率、無(wú)功功率等，所以對(duì)PLC的配置要求不高。
（3）PLC軟件的設(shè)計(jì)
3.1開(kāi)停泵的程序
根據(jù)出水管壓力和水池的水位高低來(lái)確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。即當(dāng)出水管壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，增加開(kāi)泵的臺(tái)數(shù)；當(dāng)出水管壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，減少開(kāi)泵的臺(tái)數(shù)。
3.2系統(tǒng)控制和報(bào)警記錄程序
系統(tǒng)的總控制由PLC來(lái)完成，記錄每一臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間段時(shí)，按“先投先切”和“先切先投”的方式，自動(dòng)輪流切換。PLC還接受變頻器、軟啟動(dòng)器和潛水泵的報(bào)警信號(hào)，并按情況決定是否停止該機(jī)組的運(yùn)行，并把報(bào)警時(shí)間、類型等信息記錄，以便日后的查詢。

四、系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
本系統(tǒng)由于采用了PLC+2變頻器+2軟啟動(dòng)器的控制方式，與相應(yīng)的PLC+4臺(tái)變頻器控制的系統(tǒng)相比，用戶節(jié)省了給每臺(tái)水泵配置變頻器大成本（畢竟變頻器比軟啟動(dòng)器貴好多），而且PLC配置低，程序簡(jiǎn)單，也同樣也達(dá)到由單臺(tái)運(yùn)行到多臺(tái)運(yùn)行采用變頻控制的多種運(yùn)行方式，達(dá)到恒壓供水的目的。由于變頻器的運(yùn)用，也沒(méi)有了因?yàn)殡姎庠O(shè)備頻繁的啟停操作而導(dǎo)致的壽命減短的問(wèn)題。因此，該系統(tǒng)具有了節(jié)資、節(jié)能、節(jié)水的目的。

五、結(jié)束語(yǔ)
在供水系統(tǒng)中目前廣泛地采用了變頻調(diào)速的方法，也有很多的控制方法，但比較終的目的也是只有一個(gè)：即恒壓又節(jié)資、節(jié)能。相信隨著技術(shù)的不斷更新和成熟，也不斷有新的方法出現(xiàn)，本文者只是根據(jù)所在的公司在供水加壓站的應(yīng)用實(shí)例寫(xiě)出，希望借此能同大家共同交流和探討。