加压泵站恒压供水PLC控制系统的设计

刘振峰

摘 要：本文以西安某水厂二次加压泵站恒压供水PLC监控系统为例。对加压泵站恒压供水PLC控制系统组成部分及系统功能与原理进行了详细的介绍和分析。

关键词：PLC 恒压供水 控制系统 设计

中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0022-01

传统的自来水公司供水系统，常常要面对不同时段，用水量往往差别很大的情况，随着电力电子技术的发展，恒压供水获得了广泛的应用，本PLC控制系统采用法国schneider-electric公司高端过程自动化控制器系统，上位监控计算机与本系统控制器之间采用以太网方式通信，并与低压柜侧安装的6块电能表之间采用串口方式通讯。控制系统主要控制对象为6台水泵，其中4台功率为220 kW，各采用一台软启动器控制，2台功率为200 kW，采用一台变频器进行切换起停控制。每台泵出口配置一台电动切断阀（开关量控制），供水总管配置有一台压力测量仪表和流量测量仪表（都为4～20 MA信号），为了保证可靠性，水池液位测量配置两个独立的传感器，一为连续液位测量的模拟量信号，一为液位低报警的开关量信号。

1 系统主要组成部分

（1）加压站控制系统采用一套独立的控制系统，包括PLC和上位监控计算机。

（2）控制站采用法国施耐德公司的QUANTUM系列，组态软件选用GE公司的iFix。

（3）就地上位监控计算机通过以太网和控制站CPU交换数据，中心调度室计算机通过以太网和控制站CPU交换数据。

（4）系统具有独立于PLC的就地手动控制功能，一旦PLC 系统出现故障可切换到手动系统控制，保证加压供水生产的正常运行。

2 系统功能与原理

（1）正常情况下，系统以一台变频泵加减一台工频泵的工作方式自动运行，实现恒压供水。同时任何一台泵都可以在备用的条件下，用“手动”按钮选择为手动，退出自动工作状态单独操作，但无论在何种情况下最多只允许一台变频泵加一台工频泵的工作方式，且不允许单独启动工频泵。

（2）启停泵时，都遵循先开泵后开阀，先关阀后关泵的原则，防止水泵启停对设备造成的水锤损害，同时开泵与开阀，关阀与关泵的间隔时间程序设定为15 s。

（3）具有警戒水位自动停泵功能，同时在自动状态运行时。其中1、2、3号泵对应1号清水池，4、5、6号泵对应于2号清水池。警戒水位在管理员界面下可调、可屏蔽（需要屏蔽时将警戒液位设为0 m）。

（4）具有出水总管达到高压力或者低压力时，系统报警功能（延时10 s）。高压力即实际值比设定值大1 kg，低压力即实际值比设定值小1 kg。

系统在自动状态下运行时，首先一台泵变频运行，当加泵条件满足后，启动一台工频泵，当减泵条件满足后，停止该工频泵。其中3、4号变频运行，一用一备，同时只允许其中一台工作，2、5号工频运行，一用一备，同时只允许其中一台工作，1、6号工频运行，作为日后拓展。

（5）自动状态下加减泵条件：在管理员界面下可设置给定压力，压差值ΔP，延时时间（程序中设定为延迟30 s）。当变频器频率达到频率上限，而实际压力<给定压力-ΔP，延时一段时间后上述情形仍存在，则满足加泵条件。当变频器频率达到频率下限，而实际压力>给定压力+ΔP，延时一段时间后上述情形仍存在，则满足减泵条件。在自动状态下，启动某一台泵的前提条件是该泵对应的阀门处于远程自动状态。否则不能控制。

（6）停泵时，若对应阀门的“关到位”信号不能及时收到，延时一定时间后强制关泵。先前的故障信号消除后，自动转为备用状态。定时时间到自动切换功能。当3号4号泵都在自动状态下，开始计时，当计时时间到后，优先的泵切换为备用，备用的泵切换为优先。系统默认自动切换时间为48 h。

3 供水系统中恒压实现方式

对于供水系统进行控制，主要是为了满足用户对于水压的需求。因此，供水系统基本的控制对象是压力。压力的大小又由扬程来控制，而扬程却不能具体的测量及控制。考虑在动态的情况下，扬程大小能够由供水水泵转速的大小反映出来，而扬程同供水能力（由流量GQ表示）以及用水需求（由用水流量UQ表示）的平衡情况相关。

如果供水能力GQ>用水需求UQ，则压力P升高，此时需要降低转速；如果供水能力GQ<用水需求UQ，则压力P降低，此时需要提高转速；如果供水能力GQ=用水需求UQ，则压力P保持不变，水泵转速不变。

由上述可得流体压力P的变化反映出供水能力同用水需求UQ间的矛盾。因此，选择转速控制来对管道压力的大小进行调节。这说明，通过恒压供水就能够确保供水能力以及用水流量间的平衡，能够很好地满足用户对于用水流量的需要。

当用户需求出现变化时，为了适应压力的变化，就要在压力恒定的前提下对供水系统进行调节。常见的调节方法有阀门控制法及转速控制法两种。

（1）阀门控制法。

保持转速恒定，通过对阀门的开度大小进行调节来控制流量。其本质是水泵自身的供水能力保持不变，而通过控制水路当中的阻力大小对流量大小进行强制改变，以满足用户对于流量的需求。此时的管阻特性随着随阀门开度的变化而变化，但扬程特性保持不变。

（2）转速控制法。

阀门开度恒定，通过调节水泵的转速对流量进行调节。其本质是通过改变水泵的供水能力来满足用户对于流量的需求。当水泵的转速变化时，扬程特性将随之出现改变，而管阻特性保持不变。

4 变频恒压供水系统的控制方案

变频恒压供水系统的控制方案包括1台变频器控制1台水泵的简单控制方案，也有1台变频器控制几台水泵的方案，我们下面简单介绍单台变频器控制单台水泵：

单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内一般指一台变频器控制一台水泵。因为全部变频系统当中，变频器、控制器、电机都没有备份设备，无法在出现问题时进行切换，所以现今多应用于用水量小，且对供水可靠性的要求不高的场合。

5 结语

本文所介绍的增压泵站恒压供水系统已成功应用在西安某水厂，从一年多的运行情况来看，符合最初的设计要求，此系统具有界面友好，操作简单，性能稳定，实时数据采集与分析等特点，相比较改造之前的系统，大大减少了人为操作设备的时间，供水效果也大大改善，受到了甲方人员的一致好评。