变频调速在恒水位控制系统的应用

1 引言
近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%[1]，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成很多城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效地达到目的。这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。
本文以临清市自来水厂为例，设计了一套城市供水控制系统方案。整个供水系统主要包括两大部分：水源地引水采集系统及水厂恒压输水系统。
水源地引水采集系统主要由6组现地供水井群组成。每组供水井群由一个现地井群集中控制室及5眼水井组成,每眼水井有一现地控制井房。现地井群集中控制室设有本组水井高低压配电系统及本组水泵启停集中控制系统。5眼水井分别为1眼深井及4眼浅井，编号分别为1#、2#、3#、4#、5#井，其中1#及2# 井分布在集中控制室，3、4、5#井以集中控制室为中心呈分布式分布。临清市第二水厂主要由总控室中心控制系统、高低压配电系统、蓄水池、加药泵房、二泵房组成。其中总控室中心控制系统是整个系统的核心。二泵房共有4台供水泵组成，其中50kW变频泵2台，75kW变频泵2台，主要完成对临清市的变频恒压供水；总控室中心控制系统作为整个供水系统的监控调度中心，负责整个供水系统的5台输水泵及30眼水井泵的集中调度与控制。
2 控制系统构成
系统采用德国Siemens PLC（可编程序控制器）S7 200作为现场级测控设备，选用了带PROFIBUS接口的PLC S7-300为主站，它为每一个现场级站点分配一个地址，在预定的信息周期内与分散的站点交换信息，采用Simatic WinCC作为上位监控软件。总控室中心控制系统选用带PROFIBUS-DP网卡（CP5611）接口的工控机WINCC为总主站，通过Profibus现场总线与二泵房控制单元中的S7-314和井群中心控制单元中的S7-314相连。其中，以井群中心控制单元中的S7-314为主站，井群现地控制单元中的S7-314为从站（此为电台通信）；以井群现地控制单元中的S7-314为主站，单井控制单元中的是S7-222为从站，形成了多级远程分布式控制系统。它通过二泵房控制单元中的S7-314在每一个信息周期内收集变频器状态、阀门状态、压力、流量、水位等信息，把这些信息传送到PC机，并把PC机的优化信号送回，控制各水泵的启停及转速，配合阀门的控制达到优化的目的。它通过井群中心控制单元中的S7-314控制水源地各水泵的启停。系统集通信、网络、现场总线、PLC、计算机、微波通讯及自动化、远程控制等诸多先进技术于一体，充分体现了现代信息技术和自动化技术在城市供水系统中的应用。其结构如图1所示。




3 变频调速恒水位控制系统的应用
3.1 系统的方案设计
变频调速恒水位供水系统构成由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动4台电动机的起动、运行与调速，其中两台大机(75kW)和两台小机(55kW)分别采用循环使用的方式运行。PLC上接工控计算机，水位传感器采样水池水位信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的模糊模块,PLC根据这两个信号经模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工频和变频之间的切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒水位供水系统进行监测控制。
3.2 系统工作过程
根据现场生产的实际情况，白天一般只需开动一台大泵和一台小泵，就能满足生产需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分组方式进行设计，即把1#水泵电机（50kW）和2#水泵电机（75kW）为一组，3#水泵电机（50kW）和4#水泵电机（75kW）分为一组。两组采用循环使用的方式运行，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。
分析自动控制系统的机组Ⅰ（1#、2#水泵电机）工作过程,可分为以下三个工作状态：
（1）1#电机变频起动；
（2）1#电机工频运行，2#电机变频运行；
（3）2#电机单独变频运行。
一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当源水的水位发生变化时，管网压力也就随之变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。
● 切换过程Ⅰ
1#电机变频起动，频率达到50Hz,1#电机切换到工频运行，2#电机变频运行。系统开始工作时，水池水位低于设定水位下限hl，按下相应的按钮,选择机组Ⅰ运行，在PLC可编程控制器控制下，KM2得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端，变频器对拖动1#泵的电动机采用软起动，1#电机起动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频f0（即50Hz），可编程控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM2失电，1#电机自变频器输出端断开，KM1得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后,开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端,接通变频器FWD端，变频器BX端断开,2#电机开始软起动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到水池水位达到设定值为止。　
● 切换过程Ⅱ
由1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为2#电机单独变频运行状态。
当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值fmin，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限Ph时（2#电机f=fmin,P＞Ph）,在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机从工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。
● 切换过程Ⅲ
由2#电机变频运行转变为2#电机变频停止，1#电机变频运行状态。当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频f0（即50Hz），水池水位低于设定水位上限H时，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM3断开，2#电机自变频器输出端断开；KM2得电，1#电机接至变频器输出端；接通变频器FWD端,与此同时变频器BX端断开,1#电机开始软起动。控制系统又回到初始工作状态Ⅰ，开始新一轮循环。
在PLC程序设计中，必须认真考虑这三个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。
1#和2#机组工作过程流程图2所示。




若选择机组Ⅱ（3#和4#水泵电机）运行，其工作过程和上面类似。
4 结束语
该控制系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，并设计了配套的界面美观、操作方便的自动控制系统，使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。实践证明，系统不仅满足了生产的需要，提高了整个水厂的整体管理水平，而且仅节约用电一项就为水厂创造了巨大的经济效益。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广阔的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。