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變頻器在箱式泵站恒壓供水設備中的應用

1　引言

    由于安全生產和供水質量的特殊需要,，對箱式泵站恒壓供水設備供水壓力有著嚴格的要求,，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。箱式泵站恒壓供水設備供水方式技術先進,、水壓恒定,、操作方便、運行可靠,、節(jié)約電 能,、自動化程度高，在箱式泵站恒壓供水設備供水中可完成以下功能：（1）維持水壓恒定；（2）控制系統(tǒng)可手動/自動運行,；（3）多臺泵自動切換運行,；（4）系統(tǒng)睡眠與喚 醒。當外界停止用水時,，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài),，直至有用水需求時自動喚醒；（5）在線調整PID參數(shù),； （6）泵組及線路保護檢測報警,，信號顯示等。

    將管網的實際壓力經反饋后與給定壓力進行比較,，當管網壓力不足時,，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快,，供水量增加，迫使管網壓力上升,。反之水泵轉速減慢,，供水量減小，管網壓力下降,，保持恒壓供水,。

2　箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)硬件構成

    箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置,，實現(xiàn)所需功能,。 來源:輸配電設備網

    安裝在管網干線上的壓力傳感器，用于檢測管網的水壓,，將壓力轉化為4～20 mA的電流信號,，提供給PLC與變頻器。

    變頻器是水泵電機的控制設備,，能按照水壓恒定需要將0～50 Hz的頻率信號供給水泵電機,，調整其轉速。ACS變頻器功能強大,，預置了多種應用宏,，即預先編置好的參數(shù)集，應用宏將使用過程中所需設定的參數(shù)數(shù)量減小到 最小,，參數(shù)的缺省值依應用宏的選擇而不同,。箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)采用PID控制的應用宏，進行閉環(huán)控制,。該宏提供了6個輸入信號：啟動/停止（DI1,、DI5）、模擬量給 定（AI1）,、實際值（AI2）,、控制方式選擇（DI2）,、恒速（DI3）、允許運行（DI4）,；3個輸出信號：模擬輸出（頻率）,、繼電器輸出1（故 障）、繼電器輸出2（運行）,；DIP開關選擇輸入0～10 V電壓值或0～20 mA電流值（系統(tǒng)采用電流值）,。變頻器根據(jù)給定值AI1和實際值AI2，即根據(jù)恒壓時對應的電壓設定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號,，利用PID控制 宏自動調節(jié),，改變頻率輸出值來調節(jié)所控制的水泵電機轉速，以保證管網壓力恒定要求,。

根據(jù)箱式泵站恒壓供水設備供水實際情況與需求,，利用一臺變頻器控制3臺水泵，因此除改變水泵電機轉速外,，還要通過增減運行泵的臺數(shù)來維持水壓恒定,，當運行泵滿工 頻抽水仍達不到恒壓要求時，要投入下一臺泵運行,。反之,，當變頻器輸出頻率降至最小，壓力仍過高時,，要切除一臺運行泵,。所以不僅需要開關量控制，還需數(shù)據(jù)處 理能力,，采用FX－4AD（4模擬量入）獲得模擬量信號,。它在應用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣，隨時將模擬量轉換為數(shù)字量,，放在數(shù)據(jù)寄存器中,， 由數(shù)據(jù)處理指令調用，并將計算結果隨時放在指定的數(shù)據(jù)接觸器中,。通過其可將壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號轉換為數(shù)字量,，提供給 PLC，與恒壓對應電流值,、頻率上限,、頻率下限（考慮到水泵電機在低速運行時危險，必須保證其頻率不低于 20Hz,，因此頻率上限設為工頻50Hz,，下限設為20Hz）進行比較，實現(xiàn)泵的切換與轉速的變化。

    箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)在設計時應使水泵在變頻器和工頻電網之間的切換過程盡可能快,，以保證供水的連續(xù)性,，水壓波動盡可能小，從而提高供水質量,。但元件動作過程太 快,，會有回流損壞變頻器。為了防止故障的發(fā)生,，硬件上必須設置閉鎖保護,，即1Q與4Q，2Q與5Q,，3Q與6Q不能同時閉合,。

3　箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)軟件設計

    箱式泵站恒壓供水設備控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺泵進行控制的程序。它對3臺泵的控制,，主要解決 系統(tǒng)的手動及自動切換,、各元件和參數(shù)的初始化、信號及通訊數(shù)據(jù)的預處理,、3臺泵的啟動,、切換及停止的條件、順序,、過程等問題。

    當變頻器輸出頻率達到頻率上限,，供水壓力未達到預設值時,，發(fā)出加泵信號，投入下1臺泵供水,。當供水壓力達到預設值,，變頻器輸出頻率降到頻率下限 時，發(fā)出減泵信號,，切除在工頻運行方式中的1臺泵,。系統(tǒng)剛啟動時，情況簡單,，首先啟動一號泵即可,。但考慮3 臺泵聯(lián)合運行時情況復雜，任1臺或2臺泵可能正在工頻自動方式下運行,，而其他泵則可能在變頻器控制下運行,，因此必須預先設定增減水泵的順序。即獲得加泵信 號后,，按照1號泵,、2號泵、3號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得減泵信號后,，按照3號泵,、2號泵、1號泵的順序優(yōu)先考慮,。

    為了防止故障的發(fā)生,，軟件上也必須設置保護程序，保證1Q與4Q,、2Q與5Q,、3Q與6Q不能同時閉合。在加減泵時必須設置元件動作順序及延時,，防止誤動作發(fā)生,。

     考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對運行狀態(tài)的影響，在設計中采用硬件,、軟件上的雙重濾波來消除干擾的影響,。硬件上變頻器提供了濾波時間常數(shù)，當模擬輸入信號變化時,，63％的變化發(fā)生在所定義的時間常數(shù)中,；軟件上采用數(shù)字濾波的方式，系統(tǒng)采用平均值的方法,。

4　箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)參數(shù)的確定

    箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)變頻運行主要靠變頻器來實現(xiàn),。變頻器有一數(shù)量很大的參數(shù)群，初始情況下,，只有所謂的基本參數(shù)可以看到,。只需設定簡單的幾個參數(shù)，變頻器就可以工作,。

除基本參數(shù)外,，還必須對完整參數(shù)進行設定。

完整參數(shù)的設定主要是PID參數(shù)的整定,，它是按照工藝對控制性能的要求,，決定調節(jié)器的參數(shù)Kp，TI,，TD,。

變頻器根據(jù)偏差調節(jié)PID的參數(shù)，當運行參數(shù)遠離目標參數(shù)時,，調節(jié)幅度加快,，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小,，近似相等時,，系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡,，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。

5　試驗結果

    由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能,，可以對系統(tǒng)工作情況進行監(jiān)測,。考慮到管網覆蓋面積大,，泵站海拔高度相對低,，遠端供水壓力需維持3kg，因此泵站出水 口壓力必須維持5kg,。試驗條件為管網初始無壓力,，電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動系統(tǒng)。獲得的數(shù)據(jù)經MATLAB進行插值擬合可得系統(tǒng)在不同條件下 跟蹤壓力變化的曲線,。

試驗記錄的數(shù)據(jù)顯示,，系統(tǒng)在未進行濾波和PID控制時，響應速度特別慢,、誤差大,、振蕩嚴重。在未進行濾波而引入數(shù)字PID控制時,，響應速度明顯 加快,，但振蕩問題未能得到解決，這是由于喘振現(xiàn)象的存在,；當管道壓力與設定值近似相當時,，水錘效應影響明顯，壓力波動異常,，PID的參數(shù)跟蹤整定,，形成惡 性循環(huán)，管道中空氣的存在也會導致振蕩問題,。

    該箱式泵站恒壓供水設備系統(tǒng)是按照工業(yè)生產需求設計的，實現(xiàn)了預定的一系列功能,，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全性,，在長時間運行中取得了良好的效果。只需作相應修改就可推廣到相關供水系統(tǒng)中,。