基于PLC控制的变频恒压供水系统改造

摘 要：随着社会的发展，人们对供水系统可靠性的要求不断提高；且目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。本文对我司供水范围内的一个加压泵站进行改造，采用变频器和PLC实现恒压供水。变频恒压供水系统已在国内得到广泛应用，其运行可靠且实现节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水质量，并且节省了人力和电耗，有明显的经济效益和社会效益。

关键词：改造；恒压供水；变频；PLC

一、前言

我司加压泵站供水范围为河源市老城片区，日供水能力3.8万m3/d，拥有三台90KW水泵，加压前管网压力0.15-0.2MPa，加压后管网压力0.35-0.45MPa。

该加压泵站当前设备较陈旧采用手动控制，需专人看管，由于值班人员的责任心不强，导致容易出现异常，给居民用水带来极大的不便。本文以本公司供水片区的管道加压供水系统为例，进行系统分析，找出其存在的问题和不足，利用PLC控制变频技术对其进行技术改造，使之达到自动恒压控制的目的，提高系统的各项性能。

二、泵站现有控制系统的分析

（一）加压泵站现使用加压供水系统的组成。

本泵站由一条DN600进水管，一条DN600出水管，一条旁通管，三套水泵机组和数个蝶阀、止回阀组成。水泵机组白天至晚上两用一备，凌晨一用两备。每台水泵配备有变频器，水泵均采用变频运行。为实现恒压目标，在加压后管网监测压力变化，反馈回给带PID调节的压力控制仪表。压力控制仪表输出信号给其中一台水泵，通过转换开关确定压力控制仪表所控制的水泵实现变频功能。

（二）现系统控制说明。

该系统采用简单的压力控制仪表进行控制，具有手动和自动恒压控制功能。当系统处于自动控制时，操作人员选择需要变频调速的水泵并设定目标压力，管网压力反馈回压力控制仪表进行PID运算后控制单台变频器变速运行，其他启动的水泵处于变频全速运行状态；当系统处于手动控制时，由操作人员操作变频器面板实现水泵运行。

（三）采用压力控制仪表对变频的控制系统存在的不足。

压力控制仪表控制变频的控制系统能基本达到恒压供水的功能，但仍存在部分缺陷：

1、每次轮换水泵需停所有泵再开启需轮换的水泵；

2、当开启2台水泵，当供水管网压力过高时，一台水泵会减速至停止，而剩下的一台水泵却处于全速运行不会减速；

3、运行人员需时刻关注供水管网压力，需人为操作设备实现恒压供水的目的，人力投入大，且运行人员劳动强大较高。

三、PLC自动控制系统的改造设计

（一）系统控制目的和原理

针对采用压力控制仪表对变频的控制系统存在的问题，通过现有电气设备进行技术改造达到自动控制效果，确保泵站出厂水水压恒定、降低操作人员的劳动强度和人工成本。通过压力反馈值与设定值对比，经PLC数据处理，调节变频器频率达到恒压效果，最终实现泵站自动控制。

（二）控制系统流程图设计及说明

根据PLC控制系统的控制目的和原理，编制系统运行逻辑关系：

系统起动之后，判断是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，操作人员根据生产需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。

在自动运行模式中，当PLC接到频率上限信号时，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量；当PLC接到频率下限信号时，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号变化就保持现有的运行状态。

（三）PLC的选型

结合现场设备控制系统所需I/O控制点数、工作环境、系统稳定度等要求，选用西门子S7-200CN系列PLC规格CPU 224XP，另增加两输出模拟量模块EM232一个和四输入模拟量模块EM231两个。

（四）程序设计

根据系统控制要求，设计PLC的输入输出信号分配及接线控制原理图，并根据工艺要求编制PLC运行程序。

（五）控制系统运行流程

1、手动运行。当旋转自动/手动转换按钮时，用手动方式。按下各水泵对应电源主接触器启动按钮，接通电源后再按下各水泵对应变频器启动按钮，手动调节电位器改变变频器运行频率，该方式仅供自动故障时使用。

2、自动运行。由PLC分别控制某台电机变频继启动电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制。

升压控制：系统开始工作时，供水管道内水压力较低，在控制系统作用下根据设定压力，第一台水泵开始运行，启动后转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间第一台水泵处在调速运行状态。当用水量继续增加，变频器输出频率增加至全速时，水压仍低于设定值，由PLC控制保持运行；同时，使第二台水泵投入并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到全速时，将继续执行如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵投人运行，变频器输出频率达到全速，压力仍未达到设定值时，控制系统发出故障报警。

降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率時，水压仍高于设定值，系统将运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台水泵运行为止。

四、改造完成实现的效果

1、恒压系统稳定运行，目标压力与实际压力误差0.01MPa左右；

2、水泵实现主副机自动轮换功能，保证设备良好工况运行，无需操作人员进行手动轮换设备；

3、控制柜面板（触摸屏）上可显示设定压力、实际压力、水泵电流、水泵频率、水泵启停等运行参数；

4、有效降低电耗，同比改造前每月电耗下降约5%。

作者简介：

邹焕军（1987-），男，汉族，广东河源人，本科，河源市勤诚达水务有限公司电气工程师

（作者单位：河源市勤诚达水务有限公司）