热电水系统中脱盐水泵自控系统的改造

王朝阳 周志峰

(上海工程技术大学机械工程学院,上海 201620)

随着工艺过程的不断进步，脱盐水的及时供给变得越来越重要，其中脱盐水泵是脱盐水系统的“心脏”。某企业的原脱盐水泵是4台独立运行，而且都需要人工调节管道阀门，无法满足现场要求，而且脱盐水泵房的内部环境也对工艺值班人员的人身安全构成潜在威胁。

为此，笔者采用PLC和变频器来改造某热电水系统脱盐水泵的自控系统，根据现场采集到的脱盐水泵电机电流信号，采用PLC驱动变频器调节电机转速来实现对管道阀门的自动调整，以期满足锅炉用水需求，合理分配水泵电机负荷，避免电机过负荷运行。

1 脱盐水工艺简介①

某企业的原热电脱盐水系统由4台独立的脱盐水泵组成。系统由一个总管进水，经脱盐水泵抽水以后，从一个管道流出，运行时4台独立的脱盐水泵分别向上级供水。原脱盐水泵的供水工艺流程如图1所示。

图1 原脱盐水泵供水工艺流程简图

4台水泵的管道阀门都需要值班人员去现场进行手动开、合操作，自动化程度较低。当锅炉需水量发生变化时，需要工艺人员通过调节阀门去调整供水量。在供水量变化频繁时，就要进行频繁的人工操作，这种自动化程度很低的人工操作必然导致供水落后于实际生产需求的结果。在紧急情况以及值班人员远离现场的时候，这种系统存在极大的安全隐患，并且，由于工艺和电气人员的分离，人工操作无法实现四台水泵电机负荷的合理分配，常常导致有些电机低负荷运行，而有些却是过负荷运行，这对电机的使用寿命造成了很大影响。同时，化工生产的现场环境也不利于人们频繁活动于其中。

2 改造方案

基于PLC分散式控制结构和变频器改造后的热电水系统中脱盐水泵自控系统(图2)。构成：1台PC机，安装S7-200编程软件Step7[1]。4台PLC 266CPU，分别单独控制4台变频器。266CPU的运行速度快、模块扩展能力强，而且具有较多的输入/输出点，完全满足复杂控制系统的要求[2,3]。4台变频器分别对管道阀门电机进行变频调速控制，变频器选用MM420系列，输入380/480V、0～650Hz，由0.12～11.00kW的小功率电机控制。4个带模拟量输出的电流互感器。将脱盐水泵电机电流的模拟量作为给定值送入PLC，经PLC PID调节后输出给变频器，变频器根据脱盐水泵电机运行的实际电流自动调节输出频率来控制管道阀门电机的转速[4]。4台阀门电机。将原手动阀门改为电动阀门，阀门电机额定电压380V、额定电流1.8A、额定功率0.37kW、额定频率50Hz、额定转速1 400r/min。以S7-200 PLC作为主站，通过USS协议将从站变频器等连接起来，形成控制网络，实现控制功能[5]。

图2 基于PLC和变频器的脱盐水泵自控系统硬件结构

该系统中，4台变频器分别控制4台脱盐水管道阀门电机的运行，实现阀门开关的自动控制，从而达到自动调节流量的目的，使得脱盐水泵电机始终在允许的负荷内工作。同时，4台PLC之间实现了数据互通，可根据各自采集到的脱盐水泵电机电流来协同控制4台管道阀门电机的启停和相应阀门的开度，满足了工艺用水的要求并实现了4台电机负荷的合理分配。

由于电机在启动时会产生几倍额定电流的冲击电流，而且电机在运行过程中可能会产生各种形式的过电流，从而引起变频器跳保护或损坏。因此，笔者选用了品质优良且性能稳定的MM420型变频器。

改造后自控系统可根据锅炉需水量自动调节脱盐水管道阀门的开度，还可以根据现场采集到的脱盐水泵电机电流，通过PLC驱动变频器调节管道阀门电机转速的方式，实现对管道阀门的进一步自动调整，达到脱盐水泵电机负荷的合理分配。当水泵电机电流超过或远低于额定值时，阀门电机会根据采集到的电流信号自动调整阀门开度，保证脱盐水泵电机始终运行在正常状态。

3 控制程序

改造后的管道阀门电机的调速流程如图3所示。系统中的每一台脱盐水管道阀门电机都由一台变频器控制。每台PLC根据实时反馈的电机电流信号与电机的额定电流进行比较并输出相应的模拟控制信号，以此模拟信号作为变频器控制端的输入来调节阀门电机的转速，从而达到调节阀门开度的目的。当有些水泵电机过负荷，但同时有部分电机还处于低负荷运行时，由于4台PLC之间实现了数据互通，各PLC可以根据采集到的实时电流信号进行综合比较分析来调节相应管道阀门的开度，从而达到合理分配电机负荷的目的。控制程序启动后，系统会先判断各变频器是否满足启动条件，之后再判断变频器是否发生故障，变频器会向PLC反馈自身状态的信号，当变频器发生故障时，向PLC和上位机PC发出报警信号，使得故障得以及时处理。变频器无故障后，系统会根据现场反馈的信号判断各变频器是否具有调速要求，如果有则根据设定进行相应的调速；如没有则PLC继续进行下一周期的扫描。

图3 管道阀门电机的调速流程

4 结束语

系统改造成功并投运后，运行稳定、可靠性高，有效解决了原系统无法进行实时控制和电机负荷分配不均的问题。在实际生产中，采用这种4台PLC联动控制阀门开关的供水系统，与原系统相比的优势：由于实际供水量要根据工艺用水状况频繁调整，所以在生产过程中要不停地调整阀门的开合度，在PLC和变频器的联合控制下，不仅保证了脱盐水系统一直满足锅炉用水的要求，而且还具有实时分配4台电机负荷的优点；再未出现一些电机过负荷，而另外一些电机低负荷的运行状况，极大地提高了系统的整体性能；系统采用了PLC和变频器相结合的控制方式，因而阀门电机大多运行在额定转速以下，节能减耗效果明显；由于电机实现了软启动，也极大地延长了电机的使用寿命；实现自动控制，不仅节省了大量的人力，还杜绝了值班人员在现场操作时的安全隐患。

[1] 王万强.工业自动化PLC控制系统应用与实训[M].北京:机械工业出版社,2014.

[2] 方大千,朱丽宁.变频器、软启动器及PLC实用技术手册[M].北京:化学工业出版社,2014.

[3] 李鸿儒,于霞,孟晓芳,等.西门子系统变频器及其工程应用[M].北京:机械工业出版社,2013.

[4] 刘美.化工仪表及自动化[M].北京:中国石化出版社,2014.

[5] 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].北京:清华大学出版社,2000:321～335.