PLC控制的無負壓穩(wěn)壓給水設備系統(tǒng)設計
PLC控制的無負壓穩(wěn)壓給水設備系統(tǒng)設計
無負壓穩(wěn)壓給水設備概述
變頻調速技術是一種新型的、成熟的交流電機無級調速驅動技術，它以其獨特優(yōu)良的控制性被廣泛應用在速度控制領域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調速技術也得到了更加深入的應用。
自來水廠日產(chǎn)水量60萬噸，擔負著市區(qū)及周邊地區(qū)70%以上的供水任務。自1999年年底六廠的三期工程投產(chǎn)后開始向縣供水，使得我廠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，由于考慮到現(xiàn)階段郫縣的用水量較少，從節(jié)約能耗的角度出發(fā)，我廠使用一臺泵同時向縣供水和提供我廠的自用高壓水。為了滿足六廠自用水壓力，保證廠內各個工藝環(huán)節(jié)設備（如消毒環(huán)節(jié)中的水射器）能正常工作，我廠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(jù)我們對縣城區(qū)供水量的了解，發(fā)現(xiàn)縣全天各時段用水量變化較大（見后圖5），如果不對供水量進行調節(jié)，管網(wǎng)壓力的波動也會很大，容易出現(xiàn)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，這時相應管道和泵出口壓力均較大，變頻恒壓控制方式將會降低泵的頻率，減小泵出水量，從而降低管網(wǎng)壓力；反之亦然。這樣，小時用水量變化較大也不會造成管網(wǎng)壓力有較大的波動。經(jīng)過長期運行實踐，證明了變頻調速手段實現(xiàn)恒壓供水不僅保證廠內自用高壓水壓力足夠且穩(wěn)定，而且保證了縣供水的安全可靠性。
無負壓穩(wěn)壓給水設備控制系統(tǒng)構成
整個恒壓供水系統(tǒng)有兩組變頻泵，每組均由一臺變頻器和一臺水泵組成；系統(tǒng)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。控制系統(tǒng)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(tǒng)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。
無負壓穩(wěn)壓給水設備控制原理及功能實現(xiàn)
3.1 PLC控制系統(tǒng)簡介
我廠采用Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器通過DH+通訊方式構建了全廠PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡，通過DH+網(wǎng)絡上的RSView工作站實現(xiàn)人機對話。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，是實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無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程進行監(jiān)視和控制，可以實現(xiàn)圖形化的人機對話界面，模擬生產(chǎn)運行的流程，在模擬流程上更加直觀地實現(xiàn)生產(chǎn)流程的全自動運行監(jiān)視、遠程人工直接干預操作（如PID指令運行參數(shù)遠程設定）、控制環(huán)節(jié)報警監(jiān)視等功能?？刂平缑嫒鐖D2。
圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)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LOCAL START/STOP開關啟停變頻器，通過f REF LOCAL INPUT0 輸入端口的電位開關人工調節(jié)變頻器工作頻率；通過LOCAL/REMOTE輸入點可以將變頻器切換到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通過REMOTE START/STOP輸入點進行PLC遠程啟停變頻器，通過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(jù)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形關系，可得到較好的控制效果。SAMI STAR變頻器對用戶開放的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，啟動是由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，啟動變頻器。在恒壓調節(jié)時，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(jù)情況在REView上設定）進行比較，再經(jīng)過PID運算得到調節(jié)后的修正值，通過模擬量輸出模板（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行內部運算后轉為真實工作頻率。
為了使三期變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)與全廠自動控制網(wǎng)絡有機地結合起來，全面實現(xiàn)對恒壓供水系統(tǒng)的運行情況和設備運行進行監(jiān)視和遠程控制，更加安全可靠地實現(xiàn)恒壓供水，我們使用PLC進行PID運算和監(jiān)控。PID閉環(huán)反饋控制原理如圖3：
PLC的PID運算調節(jié)通過該型處理器專用PID指令完成，通過設置各參數(shù)即可由PLC完成PID運算調節(jié)。PID程序段流程如圖4。PID指令必須以相同的時間間隔周期性地執(zhí)行，可采用計時器，定時中斷或實時采樣的等方法，此處選用了定時方法；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，這五個控制參數(shù)作為主要的PID參數(shù)參與控制，確定PID參數(shù)時要兼顧系統(tǒng)靈敏性和穩(wěn)定性，由于我們恒壓控制要求和設備的性能條件，參數(shù)設定更強調穩(wěn)定性（及KI），由于微分環(huán)節(jié)有放大噪聲的特點，我們將KD盡量設置得較?。籗WM為PID指令轉為手動直接調頻的開關，SO設定為PID指令的在手動控制輸出方式時的輸出值，當變頻器從PID自控調節(jié)轉為手動直接調頻時，SO替代PID運算結果作為轉換時的輸出值，將SO設定為控制值就可實現(xiàn)無縫轉換，減小變頻器運行頻率的震蕩。DB為PID指令的死區(qū)設定值，輸出超出死區(qū)時PID指令通過自動運算限制輸出超出限定范圍。
3.3 相關控制功能實現(xiàn)
為了防止運行時由于壓力變送器不可預見的故障造成PLC的PID運算調節(jié)失實，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，可以同時測到出廠輸水管線上的壓力；在PLC程序上對壓力信號進行了相應的處理，在程序中設置選擇軟開關，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”（見圖2：變頻恒壓供水系統(tǒng)控制圖形界面（RSView工作站））；對1#壓力和2#壓力值進行比較，相差0.1Mpa時，判斷為，其中一只壓力變送器出現(xiàn)故障，變頻器控制轉換為遠程直接手動調頻控制（通過RSView設置運行）。壓力變送器正常工作時，“控制反饋值”經(jīng)過平均濾波處理后，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調頻控制，否則“控制反饋值”作為PID調節(jié)的參數(shù)PV。
同時為了在就地手動控制實現(xiàn)在控制現(xiàn)場對變頻泵進行開?？刂坪瓦\行數(shù)據(jù)監(jiān)視。我們在變頻泵工作現(xiàn)場安裝了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進行通信，進行數(shù)據(jù)和控制命令的交換，提供就地監(jiān)控操作的通道。
無負壓穩(wěn)壓給水設備運行效果分析
4.1 有效保證縣供水和我廠自用水壓力穩(wěn)定，提高我廠供水安全可靠性
圖5為數(shù)據(jù)庫采集的2001年某日我廠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(shù)據(jù)關系圖。
從圖中數(shù)據(jù)可看出縣小時供水量變化很大，如果采用定速泵進行供水必然會導致高峰供水時段內管網(wǎng)供水壓力不足，夜間用水量較小時管網(wǎng)壓力過高，造成爆管現(xiàn)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，及時調節(jié)我廠對郫縣供水量，從而使郫縣城區(qū)管網(wǎng)壓力在一個較小的范圍內變化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，雖然我廠自用水秒流量變化不大，但由于我廠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導致自用水壓力不穩(wěn)定，采用恒壓變頻控制方式，基本克服了這種變化因素。從上圖曲線也可看出，我廠自用水壓力基本恒定不變。這樣保證了我廠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，從而保證我廠出廠水水質，提高我廠供水的安全可靠性。
4.2 高效節(jié)能
通過采用變頻調速恒壓控制，可在不同季節(jié)、全天不同時段內有效即時地調控水量，這樣在用水量較低時，大大節(jié)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(tǒng)供水方式的損耗，降低噸水消耗。
4.3 提高自動化水平
根據(jù)我廠建立自動控制系統(tǒng)的原則“分散控制、集中管理、現(xiàn)場無人值守”，無負壓穩(wěn)壓給水技術的應用提高了我廠自控系統(tǒng)的整體水平，真正作到了操作簡便安全，現(xiàn)場無人職守，運行安全可靠。
中贏無負壓穩(wěn)壓給水設備產(chǎn)品概述：
中贏無負壓穩(wěn)壓給水設備是我公司專業(yè)技術人員在氣壓給水設備的基礎上開發(fā)的一種能直接與自來水管網(wǎng)連接、且對自來水管網(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(xù)密閉的接力增壓供水方式。避免了二次增壓供水系統(tǒng)造成的能源的二次浪費和二次污染，我公司生產(chǎn)的設備與其它廠家的產(chǎn)品不同，因解決了自動采樣控制等有關技術方面問題。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標準；充分利用市政水源本身壓力勢能，差多少，補多少，切實有效地、最大限度地發(fā)揮了變頻調速的節(jié)能效果；大幅度地節(jié)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的2大問題：
1) 水泵大幅變工況運行問題。設計了全變頻控制系統(tǒng)?？筛玫倪m應于水泵在大幅工況運行問題。
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，可滿足不同用戶具體工程應用要求的差異。
中贏無負壓穩(wěn)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、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、無腐蝕、易燃、易爆氣體
海拔1000m以下，5.9m/s（0.6g）以下。
中贏無負壓穩(wěn)壓給水設備產(chǎn)品特點：
1、 無需建高位水箱、地面（地下）水池水箱-潔凈衛(wèi)生、高效、節(jié)能、節(jié)資
經(jīng)濟衛(wèi)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(jié)能效果。實踐證明：使用直聯(lián)式中贏無負壓穩(wěn)壓給水設備可節(jié)省50%以上的興建水池費用，與其他供水設備相比，可節(jié)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(tǒng)，大部分時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態(tài)補償作用的隔膜罐，與目前市場上的普通無負壓給水設備更有實際意義。并使控制系統(tǒng)得以簡化。
4、 產(chǎn)品先進，質量可靠，標準化程度高，通用性好
采用規(guī)范通用的控制系統(tǒng)技術方案，產(chǎn)品中關鍵零部件,如:電機、水泵軸承、變頻器、調節(jié)器、PLC、和其他元器件采用了國際、國內名牌，還可換用任意廠商的相應部件，調試維修方便。
5、 功能全、智能化程度高，自適應性強
中贏無負壓穩(wěn)壓給水設備采用了先進的變頻控制技術、軟起動、有過載，短路、過壓、欠壓、缺相、過熱和失速保護等功能。在異常情況下能進行信號報警、自檢、故障判斷等，還可根據(jù)用水量的高低自動調節(jié)供水流量。變頻器故障時自動降級運行（成為工頻自動給水設備），自動系統(tǒng)故障時，還可手動操作應急備用，贏得維修時間。
6、 個性化設計、壽命長
若用戶需要，可設計符合用戶需要參數(shù)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(jiān)控計算機、可與各種控制網(wǎng)絡、通信網(wǎng)絡相接，適用于特殊、復雜的運行控制和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控要求。可為用戶開發(fā)配套監(jiān)控軟件。
中贏無負壓穩(wěn)壓給水設備主要用途：
適用于任何自來水壓力不足地區(qū)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(tǒng)；
2、新建住宅小區(qū)或寫字樓生活用水；
3、已建好的水池，可以采用無負壓供水設備與水池共用的供水方式，進一步節(jié)能；
4、對原有氣壓供水設備進行改造，可以充分利用原有的氣壓罐；
5、各種循環(huán)系統(tǒng)，自來水廠的中間加壓泵站。
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