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水厂PLC变频恒压供水技术的应用
梁庆燊
（广东顺控发展股份有限公司,广东 佛山 528000）
摘 要：文章以实际工作经验为基础,首先阐述了水厂变频恒压供水技术的基本原理及其操作方式,探讨了变频恒压供水技术在水厂供水管网的应用,并提出了系统运行过程中的水泵检修及故障处理措施,希望能够给予同行业人员有意义的借鉴.
关键词：水厂；供水管网；PLC；变频恒压供水技术；水泵文献标识码：A
中图分类号：TM921文章编号：1009-2374（2016）05-0113-02DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.057
随着社会经济与科学技术的不断提高,工业计算机与电力电子控制技术发展迅速,并被普遍应用在工业生产领域.在城市供水系统中,以PLC为主控制器、变频器为执行机构的自动供水系统,以其稳定、安全、节能、全自动、高效的运行方式,满足了工业和居民的日常生产与生活用水需求.与传统的供水形式相比,这种供水系统能够在较小电流的情况下平稳启动,避免电机启动对电网造成冲击和对泵或阀门等的损耗,消除启动或停机时产生水锤效应,提高供水质量并降低水厂的生产
成本.
1变频恒压供水的基本原理
变频恒压供水系统主要包括PLC控制器、变频器、水泵、TC时间控制器、PID调节器、压力传感器、液位传感器以及动力控制线路等,这些控制与监测构件共同组成一个稳定的闭环系统.
通过该系统的电位器可以设定供水压力值,再通过该系统的压力传感器,将实测的管道压力值反馈到PLC控制系统,系统将实测水压反馈值与给定压力值进行PID和DTC运算,得出压力差值,最后由系统变频器控制输出不同频率和电压的电源来驱动并调节水泵工作,改变水泵输出的水压及流量,从而保证供水管道内的水压始终处于恒定状态.
在水厂的日常生产过程中,系统管理人员只需要对该系统控制柜面板上的按钮和相应指示灯进行操作即可,系统操作简单,并可保障供水管道内的水压稳定.
2变频恒压供水系统的操作方式
变频恒压供水系统主要包含两种运行形式,即手动运行和自动运行.手动运行主要是通过对具有相应功能按钮的操作,控制水泵的启动与停止状态.通常情况下,手动操作只有在系统变频器发生故障或需要对供水系统进行检修时才会启用,而在水厂的正常生产过程中,很少采用手动操作的这种运行方式；系统的自动运行就是通过主控制系统对供水管网压力及设备运行状态的实时监控,保障管网正常供水的过程.在启动自动运行系统后,水泵开始工作,供水管网中的压力逐渐上升,与此同时,系统中的压力传感器检测实时水压值,并传送至PID调节器,再经过与设定的压力参数的比较,得出差值并传输到供水系统的变频器,由变频器调解水泵电机的功率,实现供水管网的供水恒压.在供水系统的自动运行过程中,也会受到各种外部因素的影响,如：突然断电时,供水系统将停止运行,当电源恢复后,由变频器直接执行供水水泵的启动、循环等全部的操作,供水系统将自动恢复运行.
通常情况下,水厂变频恒压供水系统至少有四个供水水泵,当系统进入自动运行模式时,首先给1号水泵电机通电,并将电压传输到变频器,由变频器逐步控制提升1号电机的电源输入频率,直至达到设定的信号值,再以同样的控制方法陆续启动后续的供水水泵.在系统的自动运行模式下,操作人员需要重点关注压力参数的比较环节,可以适当地对电压参数进行修正,从而保障供水管网系统的供水稳定性,也可充分发挥出变频恒压供水系统的安全、节能、高效的强大功能.
3变频恒压供水系统的控制
3.1水泵的节能与调速策略
水厂变频恒压供水系统中的水泵,其扬程（H）、转速（n）、流量（Q）及轴功率（P）存在以下关系：Q＝K1n、H＝K2n2、P＝K3HQ＝K1K2K3n3＝Kn3,其中K、K1、K2、K3为常数.根据公式,水泵的供水流量与其转速成正比,扬程与其转速的平方成正比,而对于水泵消耗的轴功率,则与其转速的三次方成正比.因此,调解水泵的运行转速不仅可以实现对供水管网进行调压的目的,对于系统节能也有着明显的效果.
3.2水泵调节的方法
3.2.1液力耦合器.此方法主要是通过耦合器以实现对水泵的变速控制,转速比越小,其控制的程度就会越高,所以效率较低.
3.2.2电磁离合器.这种调节方式的安全性较高,只需确保装置始终处于绝缘状态即可,而且结构相对简单、操作容易、成本较低,且无需较高的容量.但对水泵的转速进行调节后,其反应较慢并伴有较大的噪声污染及一定的转差损耗.
3.2.3动叶调节.这种调节方式需要在水泵内安设动叶结构.相对于其他调节方式来说,其调节稳定性更佳,并可实现较大范围的高效调节,但其结构繁杂、成本较高、自动调节的能力较差,只适用在较大型的供
水站.
3.2.4节流调节.节流调节即在水泵的输出口安设截流阀门,通过改变阀门的开口大小,以实现控制水泵供水流量的目的.在调节水泵输出流量的过程中,当阀门开口大小变化时,水流扬程也将发生改变,从而确保供水系统恒压控制的效率.这种调节方式的投资成本较低、安全可靠,但其能源损耗量也相对较高,常用在离心式水泵作业的供水企业.
3.3变频恒压供水技术
3.3.1自动投切.变频器的输出频率设有上限和下线,如果在变频器的输出频率已经达到其上、下极限,管网的水压仍无法满足水量要求时,PLC将开始执行投或切泵程序.当管网的用水量较小时,系统变频器只控制一台水泵稳定运行；而当用水量较大,变频器的输出频率已升至上限,仍无法确保管网的水压时,PLC将同时检测变频器的上限信号和控制器的压力下限信号,并将原变频情况下工作的水泵投入到工频状态,而系统备用泵则通过变频器启动后运行,从而确保管网水压及供水量的稳定.如果两台水泵仍无法满足水压要求时,可依次将变频工作的水泵投入工频状态,仅留一台备用泵变频运行；如果用水量降低,变频器释放最下线信号,此时PLC将控制工频运行的水泵停止工作,当下线信号仍然存在时,PLC将再次停止工频运行水泵,直至最低下线信号消失,管网恒压供水.
3.3.2启动程序.水泵在启动前,系统PLC将先行对清水池水位及水泵真空度进行检测,当水位满足启泵要求,水泵真空度已经形成,系统将开启水泵的启动程序.如果水泵的真空度不足,系统将先启动真空泵抽真空,在真空度及清水池水位满足要求后启动水泵.抽真空时,如果抽真空失败或系统运行过程中清水池过低,系统将停止水泵运行并发出报警.
3.3.3投泵程序.如果变频器输出频率已达上限,但管网水压仍低于设定压力值时,PLC将在规定的时间内计时,当管网压力达到了设定值,PLC放弃计时,否则开始变频调压；如果在规定时间内,管网压力仍无法到达设定值时,PLC将开始执行自动投切程序,以增加管网的供水压力和流量.
3.3.4切泵程序.如果变频器输出频率降至下限,但管网的压力仍大于设定压力值时,PLC将在规定的时间内计时,当管网压力满足设定值要求,PLC放弃计时,并继续变频调压；若仍然大于设定值,PLC将依次停止恒压泵并提高变频器频率,直至管网压力达到设定值要求.
3.3.5投切顺序.变频恒压供水系统遵循“先投先切、先切先投”的原则,控制水泵切换.PLC将根据水泵的运行状况,自动将其排列到待运行或运行队列中,并自动执行投切.如果运行中的水泵出现故障,PLC会将其从切换的队列中退出,并告知维护人员进行修理.
4变频恒压供水系统检修及故障处理
4.1水泵的检修
通常情况下,水厂的变频恒压供水系统包含若干个供水水泵（一般不少于4个）,当水泵经过长期的、不间断的运行时,就会进入疲劳状态,供水效率降低,进而产生故障.所以对水泵的检修是系统故障排除的重点,也是水厂供水系统定期检修的关键性工作.
在检修水泵时,应在不影响供水系统正常运行的前提下,停运某一台水泵并进行检修或故障排除,其他供水水泵需正常运行.此外,在水泵的检修阶段,要使用备用水泵来替代已运行一段时间的水泵,保证水泵的轮休和工作,以此避免并降低水泵故障的发生几率,提升水泵的使用寿命和工作效率.
4.2故障报警处理
在正常的运行过程中,变频器如果出现差压、超压缺相、故障等情况时,变频恒压供水系统将启动报警系统,并发出报警信号和报警声,同时PLC会根据实际运行情况自动检测并分析故障的程度,如果PLC判定故障程度比较严重时,供水系统将立即跳转到停机状态.如：系统出现超压、缺相、变频器故障或液位下限等故障时,报警系统会立即启动并发出故障警示,供水管理人员接警后,通过系统提示,便可获知故障点及其故障原因,以便及时展开维修并除故障,对避免系统事故的进一步扩大而恶化供水质量有着重要意义.
此外,如果是供水系统的变频器发生故障,为了避免供水系统的正常运行遭受影响,可将系统由自动运行方式转换为手动运行方式,以此确保供水系统运行的连续性,保证水厂的供水质量.
5结语
水厂的供水系统在采用PLC变频恒压供水技术后,可显著提升供水系统的安全性和可靠性,在技术上,真正实现了无人值守、全自动循环切换、变频恒压控制的运行,消除了各台水泵启动时所产生的大电流冲击,确保了供水系统设备的运行效率及稳定性能的优化,降低了水泵的转速损耗并延长了水泵的使用寿命,为提升水厂的供水质量和经济效益创收有着深远的意义.
参考文献
[1]满永奎．通用变频器及其应用[M]．北京：机械工业出版社,1995．
[2]胡佑兵．基于PLC的变频恒压供水系统研究与实现[J]．中国水运（下半月）,2009,9（7）．
[3]中国城镇供水协会．城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标[M]．北京：中国建筑工业出版社,2005．
作者简介：梁庆燊（1989-）,男,广东顺控发展股份有限公司助理工程师,研究方向：机械维护与优化.
（责任编辑：秦逊玉）
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