PLC控制系统在污水处理环节中的应用

广州市轻工职业学校 陈燕莲

前言

城市污水处理厂耗能大、成本高,尤其近年来电费的上调,致使污水处理厂的运行费用不断增加。污水处理厂的电耗在运营费用中一般占到40%左右,而污水提升电耗则占总能耗的10%-20%。节约用电对降低污水处理厂的运行成本至关重要。目前，我国大多数污水处理控制系统中基本都普及了PLC控制，在以PLC为核心的污水处理控制系统中变频器也担当了相当重要的角色。以往的控制方法中常常使用一台变频器专门控制一台电机，这样虽然控制接线简单，但是非常浪费资源。为了提高自动化水平，节约处理成本，可以对原有的控制系统进一步优化。

控制要求：在某污水厂处理中污水提升环节里，PLC要控制3台22kw的污水提升泵，并且要达到系统稳定，节能的效果。

1.基于硬件设备的分析

可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高。

为了使水压的调节平滑，稳定；保证水压反馈信号值的准确、不失真；使系统的调试更简单、方便。计划使用内部自带的PID调节器的变频器。一方面降低了生产成本，另一方面大大提高了生产效率。

根据需要初步计划3台22kw水泵的电机为变频电机，为了达到节能的效果采用在某个运行工况里允许一台电机在20Hz-60Hz之间运行。实验证明，电机频率低于20Hz时污水提升泵已无法提动污水。

2.基于控制方式的分析

2.1 并列同步控制法

利用一台大功率的变频器拖动多台较小功率的电机，这几台电机同时启动和停止。

图1

优点：

接线简单，控制逻辑简单：在PLC程序编写中用需求量控制频率即可，当污水提升需求量大时对应调高这几台电机的运行频率就可以满足要求了。

缺点：

硬件设备投入大：变频器的功率是被控的多台电机之和。

控制不灵活：变频器只能同时同频控制多台电机，无法设置一部分电机工频工作，一部分变频工作。

精度不够高：当污水提升需求量在小范围内变动时，污水提升泵无法实现小范围调节要求。

2.2 逐步投/切控制法

2.2.1 一台变频器固定控制一台电机，当达到上限频率时候，工频启动下一台电机，上限频率仍然保持，再工频启动下一台电机。当频率达到下限频率时，停止一台工频运行的电机，下限频率仍然保持时，再停止一台工频运行的电机。通过固定变频电机的调节来使水压稳定。

优点：

接线简单，控制逻辑简单，硬件设备投入不大

缺点：

直接增加工频电机，对管网压力影响较大

控制精度不够高：当污水提升需求量在小范围内变动时，污水提升泵无法实现小范围调节要求。

2.2.2 一台变频器对多台电机进行控制，根据需求量控制电机运行频率、增加或减少电机的数量。（变频器每次只能控制一台电机，若要切换控制，其它必须切换到工频运行状态或者停止状态）

优点：节约硬件成本：变频器的功率按单台受控电机的功率配置。

控制精度高：污水提升量需求小也可以实现小范围的调节。

更有效节能。

缺点：硬件接线复杂：接线多，交流接触器的数目要比并列同步控制的方法多一倍。

综合考虑，选择最后一种控制方式，即可使系统稳定又可节约成本。

3.逻辑控制思路

3.1 加泵过程

首先由M1在变频控制的情况下工作。

当用水量增大、水压下降，变频器输出频率上升到50Hz时，水压仍然不足，则按需求依次增加水泵的运行，增加水泵的方式有两种。

3.1.1 经过短暂的延时，将M1切换为工频工作，同时变频器的输出频率迅速降低为0，然后使M2投入变频运行。当M2也达到额定频率而水压仍不足时，重复开始运行时的过程，水泵M2脱离变频器驱动，由工频供电全速运行，变频器驱动水泵M3变频运行，使水压恒定在设定值上。

3.1.2 经过短暂的延时，工频控制水泵M2启动，M1变频运行，M1频率仍然保持上限（水压不足），工频控制水泵M3启动，M1变频运行，使水压恒定在设定值上。这种方式直接加入工频水泵，使用M1变频运行，使水压恒定在设定值上。减少了水泵工频跟变频的切换次数，然而直接增加工频水泵时管网压力一下受到了比较大的冲击，当供大于求时，M1要减频调节。

3.2 减泵过程

当用水量减少、水压上升、变频器输出频率低于下限值时，但管网压力仍偏高时，则各泵将依次退出运行，依次退出运行的方式有两种。

3.2.1 先开先停方式。PLC接收到下限频率到达信号，延时一定时间后，接触器KM2失电复位，水泵M1脱离工频电源停止运行。变频器输出频率仍然低于下限值，重复上述过程，水泵M2脱离工频电源停止运行，变频器驱动水泵M3恒压供水，水压稳定在设定值上。这种方式称为循环方式，通常用于各台水泵的容量都相等的供水系统中。其优点是可以自动的使各泵运行的时间比较均衡；缺点是工频运行状态直接停机时，可能由于停机太快而使管网压力发生较大波动。

3.2.2 先开后停方式。首先使正在变频运行的M3减速停机，然后使变频器的输出频率升至50Hz，将M2切换为变频工作，依此类推这种方式通常用于各台水泵的容量不相等的供水系统中，其优点是水泵的停机比较缓慢，管网压力比较稳定。缺点是不能循环运行。

3.3 加减水泵的条件

在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换。

在实际应用中，应当在确定需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。

4.外部接线以及I/O分配

5.状态转移图

6.小结

本论文研究的是以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活的控制功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现污水提升的恒压控制。该系统采用PLC控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，使提升泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值的较小范围内。不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了污水提升环节的质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个污水提升过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据需求选择不同的压力设定范围，达到了更优的节能方式，实现污水提升的最优化控制和稳定性控制。

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