泵站中PLC恒压供水控制技术的节能应用

韩耀明

引言

曙三水源站日平均外输水量500-800m3。站内只有一台4#外输泵（型号：125SS39A，流量99m3/h）变频运行，该泵平均运行频率为44Hz。绝大多数时间，外供水量和所需扬程均小于最大工况，导致站内平均能耗偏高，不符合水源站经济运行要求。

1.前期准备

为了调整水源站运行方式，降低运行能耗，实现PLC变频恒压控制两台泵切换运行，需要在外输泵房新安装一台水泵。考虑到最小日外输量的平均值，再根据用户用水量与相应的管网水压变化情况，选择了合适的泵型，新泵型号为：ISG80-160，流量50m3/h。

考虑到使用变频恒压供水系统后，系统将会自动启停泵。因此，新泵和原泵的出水管路上，安装了DN100和DN150的截止阀。为了保证系统正常工作，对原有4#泵进口闸阀的闸板进行了加固处理。同时，为了便于观察数据，新泵出水口安装了普通压力表。

2.PLC控制恒压供水方案

本设计是以水源站供水系统为控制对象，使用PLC控制结合变频技术，设计一套恒压供水系统，并保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

PLC控制变频恒压供水系统主要有可编程控制器（及扩展模块）、变频器、压力变送器、水池液位计和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统。本设计中有1个清水池，2台水泵，采用部分流量调节方法，即2台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行。PLC根据管网压力自动控制两个水泵切换，并根据压力检测值和给定值进行PID运算，输出变频信号，调节流量，使供水管网压力恒定。

根据以上控制要求，确定了“通用PLC+变频器+压力传感器（+人机界面）”恒压控制方案。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

3.系统硬件选型

系统的主要硬件设备包括以下几部分：PLC及其扩展模块、变频器、压力变送器、液位变送器等。

3.1 PLC及其扩展模块

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。本方案PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。

3.2压力变送器的选型

压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力变送器是将水管中的水压变化转变为1-5V或4-20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4-20mA输出压力变送器。根据以上的分析，本设计中选用rosemount1151压差变送器。

3.3液位变送器选型

考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位区间2.0m-3.9m，所以要通过液位变送器将检测到的水位信号转换成标准电信号（4-20mA电流），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC系统。综合以上因素，本设计选择沈阳天维自动化仪表的TW2100液位变送器。其量程为6m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量。

4.系统的软件分析与设计

硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计需要实现以下功能。

4.1系统恒压要求

根据经验数据，要保证管网水压0.26MPa恒定。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。

4.2两台泵自动切换运行

大部分时间，小泵运行即能满足用户需求。为了保证用户的水压和水量要求，要求两台泵自动切换运行。当变频器达到相应的阈值时，运行泵自动切换，变频器始终拖动运行泵工作。

4.3安全运行

为了保证水泵的安全运行，防止抽空，有必要对水池水位进行报警和必要的处理。因此设计要求：水位低于2m时，自动切换时相应的水泵不能启动，小泵降频至15Hz运行;水位低于0.2m时，泵机组将会停运。

5.系统调试

初期编程思路是“用流量来控制泵的频率、频率控制泵的启停”。因此，在程序最初设定的频率值为小泵48Hz和大泵38Hz时互相切换，中间延时时间为1分钟。但在实验中我们发现因为大小泵峰值流量差别太大导致系统频繁切换水泵。例如当小泵运行时，瞬时流量达到44m3/h，此时频率为48Hz，延缓时间后自动切换到大泵以40.5HE运转，而因大泵低于38Hz，按照程序又自动切回到小泵运行。大小泵切换时，外输压力下降，小泵就会在高频状态下运转，频率一旦超过限定值则又会切换，周而复始，从而导致大小泵来回振荡运行。

经过思考，上述问题的原因是切换泵的频率值差距过小，延缓时间较短。为此对程序进行修正，保证在节能有效区内拉大泵启动频率值之间的差距，重新规定切换值分别为48Hz和38Hz;同时也将跳转延迟时间增大到到5分钟，从而避免了因管网压力波动频繁造成的系统误操作，增强了PLC恒压控制系统的稳定性。

6.运行能耗分析

控制系统的参数调试确定后，PLC控制系统正式投用。实验期间详细记录了系统投用以来曙三水源站每天的外输量、用电量和单耗情况，与上一年同期做了对比。

从记录数据得到，水源站吨水用电量（单耗）从0.57 Kwh/m3降到了0.42 Kwh/m3，单耗下降了26.3%。由此可见，PLC恒压供水控制系统的节能效果非常显著。

7结论

实验过程中得到以下结论：

（1）曙三水源站通过PLC模块编程，结合PID闭环控制，实现大小泵根据压力和频率自动切换运行。PLC技术的应用，极大减轻站内员工的工作量;

（2）曙三水源站通过对两台水泵进行PLC技术变频恒压供水技术改造，并在现场成功应用，使水源站供水单耗明显降低;

（3）PLC技术应用在外输量波动较大的水源站，辅以合理的泵型，该系统节能效果会更加明显，因此具有广泛的实用性和推广性;

（4）PLC技术的可编程性还可以应用在更多更复杂的供水企业站内工艺流程中，可以完全满足供水泵站自动化经济运行要求。