“一拖三”变频改造方案实现厂区恒压供水

1 概述

中铝青海分公司供水加压泵站由一、二期泵站构成，共计有加压泵10 台套，一、二期各5 台套，每年供水600多万t。正常情况下，两个独立控制的泵站的水泵均为三用两备运行状态。

1.1 设备现状

一期泵站1986年投产，已连续运行20年。5台水泵型号为150S78A，流量为144 m3/h，扬程为62 m，配用电机型号为JO2-82-2，功率为40 kW;二期泵站1990年8 月投产，已连续运行16 年。5 台水泵型号为6SH-6A，流为量180 m3/h，扬程为55 m，配用电机型号为JO2-82-2，功率为45 kW。

1.2 存在问题

1)水泵运行年限较长，设备严重老化，故障率高。由于没有相应的备品备件供应，所以维修困难。已影响平稳供水，对分公司安全生产构成威胁。

2)JO2 系列电机是非节能产品，是属国家明令淘汰的电机产品。

3)由于用水量不稳定，水压忽高忽低，水压高时易使供水管网破裂，水压低时不能满足生产生活需要。所以必须及时调整水泵水压，但由于水泵控制分散在两个控制室，造成水泵水压调整不便。

4)由于是两个泵站，所以必须有两组人员看守、操作泵站，存在人力浪费现象。

2 改造方案

在基本保持原有加压泵站的功能和出力大小的情况下，将原有的10台套水泵对应更换为ISO系列，流量为150耀180 m3/h，扬程为62 m的新水泵，安装位置与旧水泵对应。配用电机型号为Y系列2 极，功率为45 kW。废弃原有水泵的控制系统，对10 台新水泵实施集中控制。对其中7 台水泵实施工频控制;对剩余的3 台水泵实施“一拖三”的变频控制，实现水压的自动控制调节。正常情况下，要求以工频控制的水泵运行4 台，备用3台;如果厂区用水量有大幅度的变化，可多开或少开工频控制的水泵，但不管那种情况，都同时投运已实施“一拖三”的变频控制水泵系统，并尽可能使3台变频控制的水泵保持在一工频运行、一变频运行、一备用的状态，以达到自动调节管网的水压，实现恒压供水的目的。

本文针对改造方案中提出的“一拖三”的变频控制方案，从电气设计的角度进行了较为全面的论证，说明了该方案的可行性。

3 恒压供水系统工作原理

恒压供水控制系统将主要由PLC、PID、变频器、切换继电器、压力传感器等部分组成。为了维持供水管网的压力不变，必须在系统的管道上安装压力变送器作为反馈组件来为控制系统提供反馈信号。由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID 调节器进行控制，而应采用PLC 参与控制的方式来实现对控制系统的调节。变频器选择FRN45P11S-4CX 或FRN55P11S-4CX，可编程控制器选择日本松下FP1-C40 型。

控制核心单元PLC根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过PID 运算后，PLC 将0~5V的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软启动;PLC 通过比较模拟量输出与压力偏差的值，驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的水泵电机台数，在大范围上控制供水的流量，同时完成电机的启停、变频与工频的切换。PID 调节器控制变频器对变频泵进行速度调节，在小范围上控制供水的流量。这样，从投入电机台数和控制电机中某一台电机的转速而达到恒压供水的目的。

4 电气设计

4.1 系统程序设计

系统程序包括启动子程序和运行子程序，分别如图1，图2所示。

4.2 主电路设计

该系统主电路如图3 所示。当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指定下一台泵为变频泵;同样的道理，当水压在所设定的时间内保持恒定，且变频器的输出频率低于30 Hz时，则退出一台工频运行的给水泵。

4.3 控制电路设计

控制电路包括继电器控制电路及PLC 控制电路，PLC 控制电路原理如图4所示。

图中SA7 为手动/自动控制转换开关，SA8 为自动起/停控制转换开关，P1、P2 为管网压力信号(PID输出信号)，SA1为1#水泵手动起动开关，SA2为1# 水泵手动停止开关，SA3 为2# 水泵手动起动开关，SA4 为2# 水泵手动停止开关，SA5 为3# 水泵手动起动开关，SA6为3#水泵手动停止开关，KA0耀KA6为中间继电器，分别控制KM0耀KM6工作。

4.4 系统工作过程

可编程控制器在工作过程中的输入、输出信号的符号及功能如表1 所列。

4.4.1 系统的启动

加上启动信号(X4)后，此信号被保持，当条件满足(即X2 亮)时，开始启动程序，由PLC控制1#电机变频运行(Y1、Y0、Y7 亮)，同时定时器T0 开始计时(10 s)，若计时完毕X2 仍亮，则关闭Y1、Y0(Y7 仍亮)，T1 延时1 s，延时是为了:一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器;二是让变频器减速为0，以重新启动另一台电机。延时完毕，1#电机投入工频运行，2#电机投入变频运行，此时Y2、Y3、Y0、Y7亮，同时定时器T2开始计时(10 s)，若计时完毕X2 仍未灭，则关闭Y3、Y0(Y2、Y7仍亮)，T3 延时1 s，延时完毕，将2#机投入工频运行，3# 电机投入变频运行(此时Y2、Y4、Y5、Y0、Y7 亮)，再次等待Y7 灭掉后，则整个启动程序执行完毕，转入正常运行调节程序，此后启动程序不再发生作用，直到下一次重新启动。在启动过程中，无论几台电机处于运行状态，X2 一旦灭掉，则应视为启动结束(Y7 灭掉)，转入相应程序。综合整个启动过程，要完成3 台电机的启动最多需要22 s。

4.4.2 模拟调节

运行过程中，若模拟调节期间上、下限值均未达到(即X1、X2 灭)，则变频器处于模拟调节状态(此时相应电机运行信号和Y0 亮)。

若达到模拟调节上限值(X1 亮)，则定时器T4马上开始定时(3 s)，定时过程中监控X1，若X1又灭，则关闭定时器，继续摸拟调节;若T4 定时完毕，X1 仍亮，则启动输出低速(Y8 亮)，进行多段速调节，同时定时器T5 开始定时(3 s)。定时完毕，若X1仍亮，则关闭此多段速，启动输出更低速(Y9)，同时定时器T6 定时(如10 s)，定时完毕，若X1仍亮，则关掉Y9，此后X0 很快会通，转入切换动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X0 亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行切换动作，即转入切换程序，同样，若无论何时，X1 灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

若达到模拟调节下限值(X2 亮)，则定时器T7马上开始定时(3 s)，定时过程中监控X2，若X2又灭，则关闭定时器，继续摸拟调节，若T7 定时完毕，X2仍亮，则启动输出高速(Y9)，进行多段速调节，同时定时器T8 开始定时(3 s)，定时完毕。若X2仍亮，则关闭此多段速，启动输出更高速(Y8)，同时定时器T9 定时(如10 s)，定时完毕。若X2仍亮，则关掉Y9，此后X3 很快会通，转入加电机动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X3 亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行加电机动作，即转入加电机程序。同样，若无论何时X2 灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

4.4.3 电机切换

电机切换程序分为电机切除程序和加电机程序两部分。电机切除程序动作的条件是：启动结束后无论何时X0 亮，一旦条件满足，即由PLC 根据电动机的运行状态来决定切换相应电机，切换时只能切换工频运行电机。

若工作状态是一台变频一台工频，则立即切除工频电机，然后计数值减1，即完成此过程，再由调节程序运行，调节至满足要求为止。

若3 台电机同时工作，则应由PLC来决定切除相应的工频运行电机。切除依据是3台电机对应计数器的大小，谁大切谁，切除掉一台后，要由定时器定时(如5 s)等待，以便变频器调节一段时间，防止连续切除动作。这主要是考虑到本系统的非线性和大小惯性因素而采取的措施。

加电机程序，其动作程序是：启动结束后无论何时X2亮，一旦条件满足(X3亮)，立即关掉变频运行电机和变频器，延时一段时间后(原因同上)，将原变频运行电机投入工频运行，同时打开变频器和将要启动电机的变频开关，完成加电机过程。

同样，若原有2 台电机工频工作，则X3 一亮，立即开始加另一台电机(无延时)，加电机依据是判断计数值，谁小加谁。但加电机完成以后，定时器要开始定时(如5 s)等待，让变频器调节一段时间，防止连续加电机动作。

5 系统主要性能与特点

1)由于供水管网系统较大，致使管网末端水压严重滞后出口压力，所以系统的一个显著特点是管网末端水压变化较大，不利于实现恒压精确控制。

2)变频器对电机进行软启动，减少了设备损耗，延长了电机寿命。

3)具有自动、手动及异地操作功能。

4)智能化控制，可任意修改参数指令(如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID值、加减速时间等)。

5)具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断电等故障均能自行诊断并报警。

6 结语

水泵变频改造前，一、二期平均每天各运行2台水泵，年耗电150 万kW·h，改造实施后，年耗电85 万kW·h，每年仅节约电费达26 万元，所以此次设备投入费用在短期内可回收成本。