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1、烷二装置新鲜水泵自动稳压供水控制的改进摘要：针对现在烷二新鲜水泵运行可靠性差、自动化程度不高等现状改进了一套由可编程序控制器PLC 、变频器、远传压力表、计算机等主要设备构成的自动变频调速稳压供水系统，该系统利用单台变频器实现3台水泵电机的软起动和调速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证了管网压力稳定。 关键词：PLC；变频调速；稳压供水0 引言变频调速在供水设备中以其节能、安全等优点，在我厂早就已经推广使用。水泵属于平方率负载，负载的阻转矩与转速的平方成正比，即：T L=TO+KTNL2 。其中TL为负载转矩，T O为空载转矩，K T为比例系数，N L为水泵转速。 水泵消耗功率大
2、体上与转速的三次方成正比，即 PL=KPNL3。其中 PL为水泵消耗功率，N L为水泵转速，KP为比例系数。而水泵设计是按工频运行设计的，但供水时除高峰外大部分时间流量小，采用变频控制可以使水泵运行转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明使用变频调速可以使水泵运行转速比工频转速降低 20%，从而大大降低能耗，节能率达到 20%40%。 1烷二循环水站 3 台 30KW 新鲜水泵 P-681A/B/C 于 2003 年 4 月进行了改造，A、B 泵变频运行，C 泵为工频运行。运行方案是新鲜水母管压力由 A 泵变频调节稳压在 0.65MPA,当压力低于 0.6MPA 时，启动 B 泵变
3、频调节稳压在 0.65MPA，30S后如果母管压力仍低于 0.6MPA,启动 C 泵工频运转稳压。母管压力高于 0.78MPA 时，停 C 泵，30S 后压力仍高于 0.78MPA,停 B 泵。改造后从几年运行情况看，此方案有以下不足：（1） 、A 、B 泵没有工频功能，如果变频器故障将不能投入运行，可靠性差。（2） 、A、B 变频运行不能稳压要开 C 泵时，A、B 泵的频率已达最高 50HZ,已不节能。（3） 、系统需要 2 台 30KW 变频器，经济性差。（4） 、由于泵不能长时间连续运转，必须定时切换，而此系统不能实现自动倒泵，自动化程度不高。（5） 、实际使用中是手动启动工频 C 泵，
4、需要切换时才开变频泵 A,节能效果差。针对以上现状，我提出改进的方案实现自动控制。我在这里详细介绍下改进的方案和设计。为方便介绍，P-681A/B/C 以下简称1 号泵、2 号泵、3 号泵。1 改进方案1.1PLC 控制为实现自动控制，引入 PLC 控制实现电气仪表联锁自动控制。现在基于 PID 闭环调节功能与 PLC 逻辑控制功能系统具有节能、自动化程度高、便于通信监控、工作稳定可靠的性能特点系统得到了广泛的应用，具有较高的实用价值。 21.2 变频调速按照系统节能、经济性要求采用 1 台变频器拖动实现 3 台新鲜水泵的软启动和调速，经济合理，高效节能。其中一台备用，当用水高峰时两台新鲜水泵
5、运行以满足水压要求，用水低峰时一台新鲜水泵变频运行，实现节能。变频同时只能拖动一台新鲜水泵电机。1.3 控制单元选用 PLC、变频器、压力变送器等作为控制单元实现水管网压力的自动化控制，水泵之间的自动切换和变频起动等，大幅提高设备的自动化水平和可靠度。1.4 运行方式由于系统属于不间断运行系统，所以为系统设计了手动、自动、远程三种运行方式。自动方式：当系统启动自动运行方式后，就不需要操作人员的介入了，PLC 系统会自动根据现场情况进行控制。当系统出现故障时，系统会自动切换到备用水泵，并且发出报警信号。手动方式：一般是在系统出现故障的情况下，选择手动运行方式。在此系统中通过控制柜上的转换开关实现
6、手动控制，另外由于设置此控制的优先级为最高，所以现场操作人员必须严格按照规章进行操作，不可进行违章操作。远程方式：此种控制方式是通过控制室的上位机来完成的，在此方式运行是，操作人员按照操作规章，在组态的上位机软件上进行操作。为了防止操作人员的误操作，我们在系统中设置了错误提示和在一些关键部位进行了控制闭锁。1.5 变频和工频运行切换新鲜水泵工作时可由 PLC 控制变频运行转换为工频运行，也可由工频转换为变频运行，工频运行与变频运行之间有联锁控制。工频、变频运行切换时必须要有一定的延时，电机速度稳定后接触器才自动合闸，以防止冲击过电流和电机高速产生的感应电势损坏电气元件。1.6 水泵定时切换工作
7、泵与备用泵不固死，可自动定时轮换。可以有效地防止因为备用泵长期不用时发生的锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。1.7 通讯功能可以通过上位计算机与 PLC 通讯，在操作室监控系统的运行情况，有报警及时在上位机上操作处理。1.8 自诊断技术改进系统具有自诊断技术，自诊断技术主要是在设备起动前发挥作用，它通过高精度的监测装置，监测系统是否满足运行条件。如果系统不满足条件，它会提示现场操作人员经行设备检修，使系统恢复正常。2 改进系统的原理、结构及功能2.1 系统原理改进系统采用 PLC 与变频器控制泵组调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网压力变化时达到稳
8、定供水压力和节能的目的。系统的控制目标是循环水站总管的出水压力，系统设定供水压力值，压力变送器检测管网出水压力，并把信号传给 PID 控制器，PID 控制器计算后调节变频器的频率来控制水泵的转速，从而调节、稳定系统的供水压力。PID 调节功能为PLC 内置的控制方式。下图为稳压供水系统框图。 3 图 1 稳压供水系统框图2.2 系统结构和功能改进系统包含 PLC 主机、模拟量输入输出扩展模块、变频器、压力变送器、水泵、上位计算机等。其中 PLC 具有功能完善、编程简单、使用方便、适用性强、抗干扰能力强、体积小、能耗低、性能价格比高等优点。 4其中主要硬件是安装在变频控制柜内，主要由 PLC、变
9、频器、断路器、接触器、中间继电器等组成。供水系统构成示意图如下：图 2 稳压供水结构框图用水量少时由变频器控制 1 号泵（设为 3050HZ），进行稳压供水控制在0.65MPA。如果一台泵连续运行超过 6 小时，则要切换至下一台工作泵，就是说具有自动倒泵功能，避免某一台电机工作时间过长而损坏。当用水量逐渐增加压力下降，1 号泵工作频率达到 50HZ 并维持一定时间后，检测供水压力小于 0.6MPA，将 1 号泵切换成工频电源供电方式，同时将变频器切换到 2 号泵上，由 2 号泵进行补充供水。如果用水量持续加大压力继续下降，则 1 号、2 号泵都变为工频运行并启用 3 号泵泵在变频方式下运行。当
10、用水量减小，3 号泵工作频率已降为下限频率30HZ 并维持一段时间后，供水压力大于 0.78MPA 时，停 3 号泵，将 2 号泵切换为变频控制进行稳压。30 秒后，如果压力仍大于 0.78MPA 时，停 2 号泵并将 1 号泵切换为变频控制稳压。工作泵的数量增减由 PLC 控制，泵的工作频率由变频器控制。三台泵在启动时都具有软启动功能和具有报警功能。另外当变频器出现故障时或检修自动控制系统时还可以切换为手动工频启动。3 改进稳压供水系统的硬件设计3.1 系统硬件的选择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信号的采集、所有输出单元的控制、稳压的实现以及对外的数据交换
11、。本系统选用的是德国西门子公司的 S7-200 型 PLC，为了方便地将管网压力信号传输给 PLC，并将比较计算后的相应控制信号传到变频器，系统选用了 EM235 模拟量扩展模块，该模块有 4 个模拟输入(AI)、1 个模拟输出(AO)。水泵属于二次方率负载，其转矩与转速的平方成正比，低速时负载转矩较小，通常可选择专用或节能型通用变频器。本系统选用的是西门子公司的 MM440 型变频器，它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态性能，同时具有超强的过载能力。另外，本系统采用的是远程压力表，其基本结构是在压力表的指针上附加一个能带动电位器的滑动触点的装置，从电路器件的角度看实际上
12、是一个电阻值随压力而变的电位器。3.2 系统的电气控制系统系统的电气控制图主要包括系统主电路、PLC 控制电路、电气布置图等。3.2.1 主电路图系统电气主电路如图 3 所示，在主电路中，M1M3 分别为 1 号到 3 号水泵的电动机，控制三台电动机的交流接触器为 KM1、KM3、KM5 和 KM2、KM4、KM6。前三者控制 13 号水泵电机变频下运行，后三者控制 13 号水泵电机在自动工频下运行。KM7、KM8、KM9 为手动工频交流接触器。FR1、FR2、FR3 分别为三台水泵电机的过载保护用的热继电器。QS1QS8 为电机、变频器与线路的隔离断路器。PLC 控制 KM1、KM3、KM5
13、 分别闭合与变频器形成主回路控制 1#泵、2#泵、3#泵变频起动。PLC 控制 KM2、KM4、KM6 分别闭合与 QS1、QS3、QS5 和 FR1、FR2、FR3 形成主回路控制 1#泵、2#泵、3#泵工频起动。以上两种是通过 PLC 自动程序自动判断进行变频工频切换，不需要人为发出指令控制。 还有一种是当自动系统出现故障不能自动运行时，可以通过 PLC 操作发出指令控制 KM7、KM8、KM9 闭合与与 QS2、QS4、QS6 和 FR1、FR2、FR3 形成主回路控制 1#泵、2#泵、3#泵手动工频起动。为防止 PLC 故障不能控制，另外还可以在控制柜上加个转换开关，当 PLC 不能工
14、作或检修时，将转换开关打在检修位置，不受 PLC 控制，单独有控制回路控制 1#泵、2#泵、3#泵工频起动。图 3 系统主电路图3.2.2 PLC 控制电路PLC 控制电路如图 4 所示。系统共有开关量输入点 13 点，I0.0I0.3 是控制自动运行的起动、停止、复位输入点。I0.3I0.5 是控制 1#泵、2#泵、3#泵起动输入点，I0.6、I0.7、I1.0 是控制 1#泵、2#泵、3#泵停止输入点，I1.1I1.3 是控制1#泵、2#泵、3#泵工频的输入点，I1.4 是消除警报输入点。开关量输出点 12 点，Q0.0Q0.1 是控制 1#泵变频、工频运行输出点，Q0.2Q0.3 是控制
15、 2#泵变频、工频运行输出点，Q0.4Q0.5 是控制 3#泵变频、工频运行输出点，Q0.6、Q0.7、Q1.0 是控制 1#泵、2#泵、3#泵手动工频起动输出点。Q1.1 是控制变频器复位输出点， Q1.2、Q1.3 是超水压、欠水压报警输出点。模拟量输入通道一个 AIW0 是压力变送器输入 PLC 的输入点，经 PID 计算后，模拟量输出通道一个 AQW0，输出 010V 信号给变频器，控制变频器的转速。 图 4 PLC 控制电图3.2.3 电气布置图系统电气布置图如图 5 所示。热继电器宜放在电器板下部，因为热继电器的出线端直接直接与电动机相连，便于出线，而其进线端与接触器直接相连，便于
16、接线、走线最短且宜于散热。PLC 与变频器的距离要适中，如果两者距离太远，则 PLC 与变频器的通讯信号容易受到外界的电磁干扰；如果两者距离太近，变频器会在运行过程中给 PLC 带来较强的电磁干扰。图 5 电气布置图接线时为保证 PLC 不因变频器、主电路断路器及开关器件等产生的噪声而出现故障，需对 PLC 按照规定的标准和接地条件进行接地。此外，应避免 PLC和变频器使用共同的接地线，并在接地时尽可能使两者分开。当变频器和 PLC 安装在同一控制柜中时，应尽可能使变频器和 PLC 有关的电线分开，当电源条件不太好时，应在 PLC 的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪声滤波器，必要时通过使用屏蔽线和双绞线来抗噪声。4 稳压供水系统的软件 PLC 编程设计4.1 系统主程序主程序的流程图如图 6 所示。主程序实现的
