现代水厂自动化综合控制系统结构设计

陆细华

摘要 本文主要就现代水厂自动化综合控制系统结构设计相关问题进行了介绍,在分析水泵起停方式和恒压供水相关问题基础上,对系统进行了总体设计,并对其中主要设备选用进行了详细分析。

关键词 水厂自动控制技术;体系设计;设备选用

中图分类号 TP273文献标识码 A文章编号1674-6708(2009)05-0072-02

1 系统总体设计

1.1 水泵起停方式

1) 直接起动。笼型交流异步电动机直接起动时将产生很大的起动电流,是电动机额定电流的5～8倍,转矩也会激增,仅适用于小功率电动机。

2)定子串电阻或电抗降压起动。定子串电阻或电抗降压起动方式适用于轻载起动,能起到减小起动电流和增加起动平稳性的作用,但因起动损耗较大,经济性差,只在电机容量较小时使用。

3)自藕变压器降压起动。自藕变压器降压起动有过载和失压保护,可以减小电动机电流对电网的影响,起动转矩较大,其缺点是结构复杂、体积大、故障率高、检修不方便、价格较高等。

4)星-三角起动。星-三角降压起动方式适用于正常运行时定子绕组△接的异步电动机。在电动机起动过程中,星-三角转换的同时将产生一个尖峰电流,会影响供电电源和电动机,这种起动方法常用于空载或轻载起动。

5)软起动器起动。软起动器是指可控硅降压软起动器,其原理是利用可控硅的可控整流作用,通过改变可控硅的控制角,使电动机的电压按一定的规律升为全压后,短路旁路接触器,撤去可控硅的控制信号,即关断可控硅,软起动器即可退出运行,其用于水泵起动中,可以有效避免水锤效应的产生。

6)变频起动。变频起动方案是用变频器带动电机从零速开始起动,逐渐升压升速,直至达到其额定转速。采用电压/频率按比例控制方法,不会产生过电流,可提供等于额定转矩的起动力矩,变频起动有恒定的电压-频率关系,对机器、负载及电网的冲击很小,可以调速,但价格高,存在电磁兼容问题,适合于需重载或满载起动的设备。

1.2 恒压供水

实现恒压供水就是要保持供水压力基本稳定,也就是要调节供水水量。调节水量可以通过以下两种方法:1)水泵恒速转动,通过调节阀门的开度来调节供水水量;2)阀门开度一定,通过调节水泵转速继而调节供水水量。

1.3 系统总体设计

1)井群系统:对水泵的控制分为三种方式:手动、水源地值班室控制及远程。手动控制即水泵的启停完全由人工现场控制;水源地值班室控制即水泵的启停受水源地值班室控制系统控制;远程即水泵的启停受远程中心控制系统的控制。

2)水厂系统:包括水厂的两个清水池、加氯车间、输水泵房。水源地来水蓄积在两个清水水池内,每个清水水池均有一个液位计检测水池水位。井群水泵的启停以水厂蓄水池的水位为目标。主要包括以下几个单元:(1)水厂参数采集系统:采集水厂中压力和流量等参数;(2)泵房控制系统:控制水泵实现恒压供水;(3)数据通讯系统:负责和调度中心交换数据。

3)管网测压系统:在整个管网上分布有若干个测压点,这些点主要负责采集当地的水压,部分还需要采集水流量,这些数据通过通讯网络传送给供水调度中心。

4)调度中心:这是整个供水系统的操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心,集中管理和指挥整个监控系统的运行。在调度中心运行的监控软件是整个供水监控系统的灵魂。监控软件要实现同各个现场设备的通信,把系统采集的各种数据如压力、流量等经过计算后以数据或图表的方式显示,同时还要故障报警、发出相应声光报警信号。

2 主要设备选择

2.1 可编程控制器PLC

德国西门子公司的S7-200系列PLC是一种面向微型及小型应用的PLC。它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格,已成为当代各种控制工程的理想控制器。S7-200系统具有强大而灵活的通讯能力。此次设计中使用的CPU模块为CPU226和CPU224,模拟量扩展模块为EM235和EM231,数字量扩展模块为EM223。

2.2 RTU

RTU (Remote Terminal Unit )是一种安装在远程现场的测控单元装置,负责对现场信号、工业设备的监测和控制。RTU作为远程监控的一个平台,硬件上可以由PLC或者单片机开发的控制设备和通讯部件(无线电台、GPRS设备)组成,主要实现两个功能:一是数据采集,把现场仪表输入的电信号转化成数字信息;二是数据通信,把采集的数据通过通讯网络传送到监测中心的计算机中,完成和上位机或其它设备的数据通信。

本系统中,井群控制系统和管网测压点都使用了RTU。测压点主要是利用RTU模拟量输入通道将管网压力信号进行采集,必要时还采集了部分管网节点的流量信号。在井群系统中,每一个单井控制部分使用了一套RTU设备,主要是利用其模拟量输入通道采集水井压力、液位信号,并将这些信号传送给供水调度中心。同时,接收供水调度中心或者水源地值班室下达的水泵启停命令,利用其数字量输出通道控制水泵的启停,并将水泵接触器的触点作为水泵启停的反馈信号,利用其数字量输入通道反馈至供水调度中心。

2.3 EDA检测模块

EDA模块是一个智能型三相电参数综合采集模块,通过此模块就可以方便的检测三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、累计电量、电源频率等电参数。EDA模块采用高性能嵌入式处理器,利用三表法准确测量三相三线制或三相四线制交流电路中的电参数,接线简单,操作灵活,其输入为三相电压和三相电流,输出是一个智能化通讯接口。

2.4 软起动器

软起动器又称为智能马达控制器或固态控制器,其基本原理是利用可控硅元件组成可控硅桥式电路,电机的每一相接一对背靠背连接的可控硅元件,通过微处理器的运算来控制起动单元和电动机主要工作参数并不断进行优化,从而降低了电动机起动给电网的冲击以及传动机械的冲击。根据供水系统控制要求,对井群水泵只要求合理启停即可,不需要对其进行调速控制,因而水泵的启停选用软起动方式来实现。

2.5 变频器

变频器的作用是将频率固定(通常为工频50Hz)的交流电(三相的或单相的)变换成频率连续可调(多数为0～400Hz)的三相交流电源。这此设计中采用的是西门子MICROMASTER430系列75kW变频器,此变频器由微处理器控制,并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)作为功率输出器件,该产品具有很高的运行可靠性和通用性。

2.6 液位检测,压力检测及流量检测

液位变送器的工作原理是利用静压法测量液位。压力检测则是指利用不锈钢膜片感知水压力,通过硅油传输到硅油片的一侧,同时参考压力(大气压、密封压、绝压)作用于膜片的另一侧,压力差产生一个应力场,它使硅膜片一侧拉伸,分别处于压缩区的两个应变电阻和拉伸区两个应变电阻感受压力变化引起阻值变化。根据测量要求,从仪表产品的实际情况出发,综合地考虑测量的安全、准确和经济性,并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的型式为超声波流量计。

3 结论

在现代化的大型水厂中,除了采用先进的设备和控制技术对厂区内部进行有效控制和管理外,还要求实现对一个地区或城市整个供水系统的综合自动化管理。本文主要探讨了现代水厂自动化综合控制系统结构设计相关技术问题,为相似设计提供技术支持。

参考文献

[1]李德刚,宋欲晓. 工业控制机在供水厂自动化改造上的应用[J]. 基础自动化,1999,03.

[2]安鹏洲,李秋凉. 模糊控制技术在发电厂给水自动控制系统中的应用[J]. 发电设备,2002,04.