恒压供水系统在平台的应用

赵超

摘要：本文通过介绍变频调速恒压供水系统在钻井平台供水系统上的应用，解决在不同的供水管网瞬间引起压力变化时，自动改变泵的速度，并自动调节水泵机组数量，保证管网供水压力在一定范围内保持恒定，以满足不同平台用户关于用水的需求。

关键词：PLC;恒压供水;变频调速;力控组态

一、 绪论

PLC变频调速恒压供水系统是一种集变频技术、电气传动技术和现代控制技术于一身地先进供水系统。它可用于在不同的供水管网瞬间引起的压力变化时，自动改变泵的速度，并自动调节水泵机组数量，保证管网供水压力在一定范围内保持恒定，以满足不同用户关于用水的需求。使用該供水系统，可以实现明显的节能效果，从而提高平台经济效益，这在能源有限的平台上显得尤为重要。本文中，PLC变频恒压供水系统以南海二号平台海水冷却供水系统为研究对象，根据平台对冷却海水的工艺流程及控制要求;学习变频器的工作原理、性能特点及使用方法;使用西门子构建的工控平台，设计基于西门子PLC控制、三维力控组态的总体控制方案。

二、泵及其控制

平台供水系统运用最多的原动机是电动机，多采用三相异步电动机。供水管道的输送量有时会产生波动，这可能是偶然因数引起，也可能是供求关系的制约，为避免节流造成能量损失，常采用电动机调速来调节。电动机的变频调速采用PID控制器进行调节，能够在设定值或者反馈值发生改变时，时刻进行调节，使系统形成新的稳定状态。

（一）水泵的调节

对供水系统的控制，最终目标是为了满足平台不同用户对供水流量的需求。因此，在供水系统中，控制的关键对象是流量。而流量的大小又取决于扬程，实际运行中用水量的变化将导致水泵流量的跟随变化，扬程也因水位、流量的变化而变化。因此，水泵不能一直工作在一个工况点，必须根据实际情况的不同进行控制。电动机调速控制能够通过改变水泵电机地转速，进而改变水泵的工况点，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，进而达到节能的效果。然而，由于速度开环控制，升力减小，流速降低，往往不能满足实际工程需要，所以本设计采用闭环压力控制。

（二）控制流程

变频恒压供水系统控制流程如下：

（l） 系统通电，按照接收到有效的控制系统启动信号后，首先启动变频器拖动1#变频泵工作，根据压力传感器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制1#泵的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量达到平衡状态时，转速才会稳定在某一定值附近，这期间1#泵工作在变频调速运行状态。

（2） 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力仍然没有达到给定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制作用下自动投入2#水泵作变速运行，同时变频泵作工频运行，系统继续对水压进行闭环调节，直到水压达到给定值为止。如果用水量继续增加，且满足增加水泵的条件，将继续发生转换，将四台水泵均直接投入到工频运行。

（3） 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于给定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵关掉作变频运行，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。若水压仍高于给定值，则进一步调整为仅1#泵作变频运行。

三、恒压供水系统总体设计

（一）系统总体控制结构设计

恒压变频供水控制系统主要由人机界面监视器、变频器、PLC、水泵机组以及泵出口压力传感器一起组成一个完整地闭环调节系统。出口压力设定值与出口压力反馈值计算偏差作为PID调节器的输入，从而产生控制信号给变频器，变频器改变水泵电机的频率实现电机的调速最终使用户管网压力得到恒定。

（二） PLC程序设计

1 程序变量设置监控变量统计

根据平台海水冷却工艺对海水泵的要求，统计监控变量，设置程序变量。本程序的监控变量有一个起停开关信号、一个压力反馈信号、一个变频控制信号和八个工作方式选择信号，在程序编写中还需要若干中间变量。

2  PLC程序编写过程

在供水系统的设计中，使PLC与PID控制器实现闭环控制保证了恒定的恒压供水。PLC主程序主要由初始化程序、水泵机组选择程序、水泵机组执行程序、PID运算控制程序、增泵程序、减泵程序等构成。

需要指出当变频器输出频率达到水泵电机工作上限50Hz和频率下限20Hz时，为避免水波引起的误差，采用TCN延时1秒。 增泵的条件是指1#泵在变频时，频率超过50Hz，同时又满足延时条件则增泵;下一步增泵是在，1#变为工频，2#变频时，频率再次超过50Hz，同时又满足延时条件，则增泵，以此类推。减泵的条件是指1#、2#、3#泵在工频时，4#在变频时，且频率低于20Hz，同时又满足延时条件则减泵;下一步减泵是在，1#、2#工频，3#变频时，且频率低于20Hz，同时又满足延时条件则减泵，以此类推。

3 PLC程序调试

在STEP7中编好程序后，将程序下载到相应PLC中运行程序进行程序的调试，注意数据类型和参数设置。

四、恒压供水系统用户界面

组态监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。使用力控Forcecontrol软件，点击“数据库组态”，设置变量并通过STBOPC_topic数据库与PLC连接，建立数据库。在力控窗口中新建一个窗口，组建监控画面，添加趋势曲线、报表、报警界面等，并制作动画，如图4.1。

五、系统调试及问题解决

系统达到设计要求，通过组态监控界面可以直观形象的观察到系统的运行状态，取得了预期效果。在此过程中，出现 PID模块没有输出值，经过仔细检查后，是PID的设置问题。通过对模拟数据的统计与处理，得出了系统的偏差带是在1.082V～2.76V，所以为了PID环节能够正常工作，设定值必须大于4.282V，但是考虑到传感器实际值，故设定值的范围确定为4.3～10V。

六、总结

本文以平台恒压供水为背景做电气控制系统的设计。确定了以变频器为主体构成的恒压供水系统能够最大程度满足平台需要，恒压供水水泵电机的转速控制系统可以根据平台用水量的变化调节运行参数的变化，使得在用量变化的时候，仍能保持恒定的压力，满足平台用户的用水要求。

参考文献：

[1] 袁任光. 可编程控制器选用与系统设计实例. 机械工业出版社. 2010.

[2] 王锋. 变频器在恒压供水系统中的应用. 机电信息. 2011.