污水泵站远程变频自控系统的设计研究及应用

污水泵站远程变频自控系统的设计研究及应用

摘要本文介绍了我公司随着管网范围的日益扩大所凸显的主要问题，提出节能优化方案并分析了基于PLC的远程变频自控系统在污水泵站中的应用及成效。

关键词污水泵站；远程控制；PLC变频器

我公司自1999年开始筹建污水处理工程以来，市镇区规模的不断扩大，给我市给排水系统提出了更为严格的期望和要求。一方面，随着水务一体化的进程不断推进，中东西部市镇级泵站的逐渐投运，管网覆盖面越来越广，泵站数量越来越多，使得我公司在管网安全、高效的调度及管理上产生一定的难度。另一方面，污水管网系统通常采用梯级提升式排放，由于工业、生活污水排放缺乏规律，污水泵站普遍存在扬程多变、机组被动恒速运行、启停频繁等不合理运行工况，从而直接导致了机组效率低、水泵能耗大、综合节电效果差等一系列问题。因此，如何解决管网范围日益扩大的同时进行安全节能高效的调度管理，已成为我公司需亟待解决的问题。

1 泵站远程控制及节能优化分析

要实现污水输送的统一管理调度，必须建立远程控制系统，对整个管网水位进行全方位监控，提高上下游泵站之间的联动效率，保证泵站的进水稳定性，减少水泵的启停频繁，进一步提升水泵机组效率。

实现泵站输送的低能耗，首先要降低排水扬程、提高机组运行效率，使流入、流出流量趋于平衡。在这里提出建立以减少能耗为目标，采用变频液位控制方式适当提高泵站提升井水位，降低扬程；调速及提高机泵工作效率；设定最佳运行水位，优化运行机泵组合的系统控制策略。

2 自动化设计内容：

2.1 自动化系统构成

PLC采集液位计、水泵电机及变频器等相关实时运行数据。经采集的液位模拟量经PLC的PID指令计算出控制结果输入变频器的模拟量控制端，调节水泵运行频率。各种工作状态信号及故障信号反馈至PLC。变频调速具有高速响应、低噪声、大范围、高精度平滑无级调速，电动机直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小对电网和设备的冲击，提升转矩等功能。

2.2 现场控制要求：

（1）实现对水泵、格栅机、电动阀门等设备的远程手自动控制，并对相关数据如三相电压、电流、开停及故障状态、液位、压力、流量数据等进行实时监

视；

（2）对重点泵站采用双液位计监控，必要时可切换液位计控制水泵机组；

（3）自控系统协调各部分设备的运行，对变频泵实现平衡液位的PID调节；

（4）通过西门子S7-200PLC的CP243-1IT因特网通讯模块将现场生产数据传送至中控室服务器，进行数据交换；

（5）由电源防雷器、信号线路防雷器构成防雷系统，保护自控系统运行；

（6）现场自控柜具备后备电源支持功能，并提供触摸屏与中控室监控计算机进行同步数据交换并进行各类参数设置及运行监视报警功能。

2.3 控制流程及PID程序设定

液位分5个设定值，从低到高分别为：下限、设定1（软启动器停止液位）、最佳（目标液位）、设定2（软启动器启动液位）、上限。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。标准化时采用单极性方案，系统的输入来自液位计的液位测量采样；设定值是最佳液位，输出是单极性模拟量4～20mA，对应0HZ～50HZ，可以在0%～100%之间变化。使用比例积分及微分控制，假设采用下列控制参数值：增益Kc=-3；采样时间Ts=0.2s；积分时间Ti=1min；微分时间Td=0min，可根据现场调试情况进行修正。

2.4上位机要求

（1）中控室采用2台冗余热备服务器同时对现场PLC进行实时通讯；

（2）采用WINCC上位机组态软件，生成现场运行实时动态图，提供清晰的人机界面，生动形象地反映各类实时数据，进行远程控制参数设置，并完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询及自动生成报表功能；

（3）提供水泵、格栅运行时间、累计流量的统计报表及设备开停状态，压力，瞬时流量、电压、电流、液位的历史趋势曲线存储和查询。

3 自动化改造实施情况：

自2009年开始改造以来，截止2013年年底，自控改造项目总投资201.78万元，基本实现全市管网主要泵站远程自控改造项目全覆盖。该系统在污水泵站自运行以来，自动控制系统安全稳定，降低水泵运行实际扬程及采用调速均流排放获得了良好的节能效果，同时又延长了机泵等设备的使用寿命。基本建立以安全运行为前提，提高运行管理水平、降低能耗为目标的远程自控系统。自动化系统投入运行后，能及时控制及反馈各泵站运行信息，统筹高效的进行排水调度，能系统的分析各泵站之间的链级关系，提高上下游泵站输送水量的相互协调性，

实现上游泵站错时排放，保证下游泵站进水稳定性，进一步提升水泵机组效率。中控室可根据污水排放规律，主动合理定制各污水泵站的排放时间，使流入污水厂的水量均衡，避免同时大量排水，提高运行的安全性、可靠性，运行质量，进一步提高了管网运行的安全性。结果表明基于PLC的变频液位控制系统完全满足污水泵站对控制系统的要求。可编程控制器与变频器的有机结合在污水行业的应用大大提高了生产现场的自动化控制水平和管理水平。

参考文献：

[1]王永华.现代电气及可编程控制技术.北京航空航天大学出版社，2002.

[2]汪雄海，张龙.污水泵站系统的最优控制策略.浙江大学学报，2002.11（6）.