南盘石技术供水稳压池水位控制系统探研

南盘石技术供水稳压池水位控制系统探研

丘泽远

福建棉花滩水电开发有限公司 福建厦门 361000

摘要：针对南盘石电厂目前技术供水自动化水平较低，系统故障率较高，需设计出一种采用变频器和水位控制相结合，用变频器和内置PID功能PLC，控制水泵流量从而实现蓄水池水位的自动控制。

关键词：变频器；水位压力传感器；自动控制

1引言

南盘石电厂现行技术供水，配置两台技术供水泵，其型号：ISS150-400，流量:173m3/h,配用电机型号:Y200L-4,电机功率:30kW和一台应急水泵，采用单一水位控制技术。主泵启动水位:2.30m,备泵启动水位:2.20m,停止水位:3.20m。蓄水池总容量：174.25m3，运行容量：49.01m3，冗余容量：125m3。#1发电机组总冷却水流量：98.03m3/h，#2发电机组总冷却水流量：148m3/h。

据统计，在实际运行中，水泵空抽等故障率较高，当水位在启动水位，水泵发生故障后所有的冷却水只能由冗余水量提供，且水泵故障发现完全依靠运行值班人员，故障的处理时间存在不可预见性，因此存在较大的技术安全。水泵的功率较大，长时间运行功耗也大，而采用变频器，可让系统工作平缓稳定，通过改变转速来调节用水供应，还能节省20%左右电能。

现场有一个蓄水容量为174.25m3的蓄水池，两台技术水泵，需满足两台发电机同时运行总冷水流量为248m3/h的供水要求，并尽可能使稳压池的备用储水量为最大，按要求进行工程设计研论。

2水泵变频调速原理与特点

水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。变频器是用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频稳压供水系统对水泵电机实行无级调速，依据用水量及水位变化通过检测、经微机运算自动改变水泵转速调水泵出口流量保持水位以满足用水要求，是目前最先进、合理的节能供水系统。

与传统的水位供水方式比较，变频调速系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面具有的优势如：

1)高效节能。

2)效率高。

3)配置灵活，自动化程度高，功能齐全，系统可靠。

3系统结构

根据工程设计要求，采用一种变频器和水位控制相结合的自动控制系统方案。系统设置两台水泵，一套变频装置，正常运行时选择任意一台泵变频运行，第二台泵工频备用。运行中工作泵跳闸，则由DCS系统自动启动另一台备用泵工频运行。

本系统主要由3个模块组成，分别是主控制器模块、变频器调节和人机交互模块。系统组成见下图1。

图 1系统结构图

3.1主控制器模块

该主控制器系统PLC采集传感器、监控水泵电机及变频器等有关的各类对象的信息。根据控制目标，并按照一定的程序进行分析处理，控制信号通过输出接口送往变频器，从而控制整个系统有目的地运行。

3.2变频器调节模块

该模块由AC电源、两台水泵、变频器、水位压力传感器、液位变送器等组成。系统结构框图见下图2。

图 2系统结构框图

稳压池实时水位通过液位变送器上述系统主机PLC，变频器采用PLC输出的模拟量信号作为控制端输入信号，从而控制电机转速大小以改变泵出口水流量来满足实际需求水量，同时保持稳压池水位不变，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。

3.3人机交互模块

　　人机交互由现地控制单元上位机来实现，本系统可采用南瑞监控系统完成。主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制等功能。监控界面以动画显示、流程控制等多种方式解决液位控制系统的数据采集、液位监测、故障报警等实际问题。

4控制要求

4.1系统供水时，采用变频运行方式；

4.2两台泵根据用水量的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出；

4.3在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3小时，则要切换到另一台泵，即系统具有“倒泵运行”避免一台泵长时间工作；

4.4两台泵同时启动有延时，减小电流过大时对其他设备的冲击；

4.5要有完善的报警功能，对电机的操作要有手动和自动两种控制功能。

5系统设备选择

5.1水泵的选择

根据现场情况，由于稳压池出水流量最大值为两台发电机同时运行的总冷却水量约为248m3/h，按要求水泵的出水流量应大于此值，根据实际测算，并且尽可能省节投入本成与减少运行功率，因此选择最接近参数的水泵，型号：ISS150-400，流量:173m3/h,配用电机型号:Y200L-4,电机功率:30kW。

5.2变频器的选择

用变频器不但是为了节能，更重要的是为了方便调节水泵电机的运行速度，使蓄水池的进水量与出水量始终保持动态平衡，从面实现蓄水池水位自动控制的目的。变频器的选择，根据负载情况不同，变频器的功率要比所带电机的功率高5%~15%，本设计中变频器可选择比水泵功率高15%。

5.3水位压力传感器与液位变送器的选择

水位自动控制系统的整个闭环控制回路中，水位压力传感器对水位信息采样，将其控头置于被测蓄水池中，由于不同的水位深度所呈现的压力大小不一样，水位压力传感器探头感应的压力信号送至液位变送器，经过运算转换成对应的4~20mA的电流信号。然后将此电流信号送给变频器内置PID调节模块，与设定的水位信号进行对比，实时调节变频器的输出频率（即改变水泵转速）来进行水位的自动控制。根据工程要求选择水位量程0~5m,输出量程4~20mA的GB-2100N型投入式液位变送器。

6系统硬件设计

6.1系统线路原理

系统线路原理图如下图3所示。

图3 系统线路原理图

6.2液位调节控制系统硬件

液位调节控制系统硬件构成如图4所示。控制系统的主控制器模拟量输入模块接受压力传感器传送来的水位信号，经运算后，输出给变频器，由变频器来调节水泵电机的转速，从而调节进水量，最终控制稳压池内液位稳定在设定值。

图4 控制系统硬件构成

7变频器控制结构

　　　变频器内置PID控制器结构，如图5所示。

图5内置PID控制结构

8结束语

本设计采用PLC和变频器构成，系统PLC实现PID组态，在设定液位下与实际液位对比，作为输出控制量作用于变频器，变频器通过调整进水流量，使液位稳定在设定值。结合监控系统的应用便于全程监控水位系统运行，能够实现蓄水池的液位自动控制，具有结构简单、调试方便、节能等特点。

参考文献

[1]胡寿松．《自动控制原理》科学出版社2001.2[2]金以慧.《过程控制》清华大学出版社2003.6

[3]林新春.智能变频供水控制系统设计及应用.新疆有色金属,2005.4

[4]张伯龙主编.可编程逻辑控制器实用教程:PLC起步与进阶．北京:国防工业出版社,2008.6

[5]张敦寿.从杭州地区供水问题谈城镇供水体系的合理布局[J];浙江建筑;1994年S1期

[6]包建华.丁启胜.《工控组态软件MCGS及其应用》[M].工矿自动化, 2007[7]MCGS用户指南[Z].北京:北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2003

[8]李广弟,朱月秀,王秀山编著.单片机基础．北京:北京航空航天大学出版社, 2001[9]何立民编著.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1999