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PLC及變頻調(diào)速技術(shù)在工廠供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

    供水系統(tǒng)是國(guó)民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán),。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染,，基建投資多,，而最主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作,。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無(wú)極調(diào)速技術(shù),，它以其獨(dú)特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域，特別是供水行業(yè)中,。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要,，對(duì)恒壓供水壓力有著嚴(yán)格的要求，因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用,。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn),、水壓恒定、操作方便,、運(yùn)行可靠,、節(jié)約電能、自動(dòng)化程度高,，在泵站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(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行；（3）多臺(tái)泵自動(dòng)切換運(yùn)行,；（4）系統(tǒng)睡眠與喚醒,。當(dāng)外界停止用水時(shí)，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài),，直至有用水需求時(shí)自動(dòng)喚醒,；（5）在線調(diào)整PID參數(shù),；（6）泵組及線路保護(hù)檢測(cè)報(bào)警，信號(hào)顯示等,。 

    將管網(wǎng)的實(shí)際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進(jìn)行比較,，當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時(shí)，變頻器增大輸出頻率,，水泵轉(zhuǎn)速加快,，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升,。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢,，供水量減小,，管網(wǎng)壓力下降,，保持恒壓供水。

1 工廠供水系統(tǒng)硬件構(gòu)成

    工廠供水系統(tǒng)采用壓力傳感器,、PLC和變頻器作為中心控制裝置,，實(shí)現(xiàn)所需功能。

    安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器,，用于檢測(cè)管網(wǎng)的水壓,，將壓力轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號(hào)，提供給PLC與變頻器,。

    變頻器是水泵電機(jī)的控制設(shè)備,，能按照水壓恒定需要將0～50Hz的頻率信號(hào)供給水泵電機(jī)，調(diào)整其轉(zhuǎn)速,。ACS變頻器功能強(qiáng)大,，預(yù)置了多種應(yīng)用宏，即預(yù)先編置好的參數(shù)集,，應(yīng)用宏將使用過程中所需設(shè)定的參數(shù)數(shù)量減小到最小,，參數(shù)的缺省值依應(yīng)用宏的選擇而不同。系統(tǒng)采用PID控制的應(yīng)用宏,，進(jìn)行閉環(huán)控制,。該宏提供了6個(gè)輸入信號(hào)：?jiǎn)?dòng)/停止（DI1、DI5）,、模擬量給定（AI1）,、實(shí)際值（AI2）、控制方式選擇（DI2）,、恒速（DI3）,、允許運(yùn)行（DI4）；3個(gè)輸出信號(hào)：模擬輸出（頻率）,、繼電器輸出1（故障）,、繼電器輸出2（運(yùn)行）；DIP開關(guān)選擇輸入0～10V電壓值或0～20mA電流值（系統(tǒng)采用電流值）。變頻器根據(jù)給定值A(chǔ)I1和實(shí)際值A(chǔ)I2,，即根據(jù)恒壓時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓設(shè)定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號(hào),，利用PID控制宏自動(dòng)調(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來(lái)調(diào)節(jié)所控制的水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求,。

    根據(jù)泵站供水實(shí)際情況與需求，利用一臺(tái)變頻器控制3臺(tái)水泵,，因此除改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速外,，還要通過增減運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)來(lái)維持水壓恒定，當(dāng)運(yùn)行泵滿工頻抽水仍達(dá)不到恒壓要求時(shí),，要投入下一臺(tái)泵運(yùn)行,。反之，當(dāng)變頻器輸出頻率降至最小,，壓力仍過高時(shí),，要切除一臺(tái)運(yùn)行泵。所以不僅需要開關(guān)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(hào)。它在應(yīng)用上的一個(gè)重要特征就是由PLC自動(dòng)采樣,，隨時(shí)將模擬量轉(zhuǎn)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(diào)用,，并將計(jì)算結(jié)果隨時(shí)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(hào)和變頻器輸出頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給PLC[1>,，與恒壓對(duì)應(yīng)電流值,、頻率上限、頻率下限（考慮到水泵電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)危險(xiǎn),，必須保證其頻率不低于20Hz,，因此頻率上限設(shè)為工頻50Hz，下限設(shè)為20Hz）進(jìn)行比較,，實(shí)現(xiàn)泵的切換與轉(zhuǎn)速的變化,。

    工廠供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使水泵在變頻器和工頻電網(wǎng)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(dòng)盡可能小,，從而提高供水質(zhì)量。但元件動(dòng)作過程太快,，會(huì)有回流損壞變頻器,。為了防止故障的發(fā)生,，硬件上必須設(shè)置閉鎖保護(hù)，即1Q與4Q,，2Q與5Q,，3Q與6Q不能同時(shí)閉合。    

2 工廠供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語(yǔ)言編制的對(duì)3臺(tái)泵進(jìn)行控制的程序,。它對(duì)3臺(tái)泵的控制,，主要解決系統(tǒng)的手動(dòng)及自動(dòng)切換、各元件和參數(shù)的初始化,、信號(hào)及通訊數(shù)據(jù)的預(yù)處理,、3臺(tái)泵的啟動(dòng)、切換及停止的條件,、順序,、過程等問題。

    當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到頻率上限,，供水壓力未達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),，發(fā)出加泵信號(hào),，投入下1臺(tái)泵供水,。當(dāng)供水壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，變頻器輸出頻率降到頻率下限時(shí),，發(fā)出減泵信號(hào),，切除在工頻運(yùn)行方式中的1臺(tái)泵。系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí),，情況簡(jiǎn)單,，首先啟動(dòng)一號(hào)泵即可。但考慮3臺(tái)泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)情況復(fù)雜,，任1臺(tái)或2臺(tái)泵可能正在工頻自動(dòng)方式下運(yùn)行,，而其他泵則可能在變頻器控制下運(yùn)行，因此必須預(yù)先設(shè)定增減水泵的順序,。即獲得加泵信號(hào)后,，按照1號(hào)泵、2號(hào)泵,、3號(hào)泵的順序優(yōu)先考慮,。獲得減泵信號(hào)后，按照3號(hào)泵,、2號(hào)泵,、1號(hào)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(shè)置保護(hù)程序,，保證1Q與4Q,、2Q與5Q、3Q與6Q不能同時(shí)閉合,。在加減泵時(shí)必須設(shè)置元件動(dòng)作順序及延時(shí),，防止誤動(dòng)作發(fā)生。系統(tǒng)切換泵流程見圖3,。

    考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的影響,，在設(shè)計(jì)中采用硬件、軟件上的雙重濾波來(lái)消除干擾的影響,。硬件上變頻器提供了濾波時(shí)間常數(shù),，當(dāng)模擬輸入信號(hào)變化時(shí)，63％的變化發(fā)生在所定義的時(shí)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。

    計(jì)算最近10次采樣的平均值,，其計(jì)算公式如下：

3 工廠供水系統(tǒng)參數(shù)的確定

    系統(tǒng)變頻運(yùn)行主要靠變頻器來(lái)實(shí)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(shè)定簡(jiǎn)單的幾個(gè)參數(shù)，變頻器就可以工作,。

    變頻器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)PID的參數(shù),，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，調(diào)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(shí),，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

   由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能,，可以對(duì)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),。考慮到管網(wǎng)覆蓋面積大,，泵站海拔高度相對(duì)低,，遠(yuǎn)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(yàn)條件為管網(wǎng)初始無(wú)壓 力,，電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動(dòng)系統(tǒng)。獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB進(jìn)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[5],。

　　試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)顯示,，系統(tǒng)在未進(jìn)行濾波和PID控制時(shí),，響應(yīng)速度特別慢、誤差大,、振蕩嚴(yán)重,，見圖5。在未進(jìn)行濾波而引入數(shù)字PID控制時(shí),，響應(yīng)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(dāng)管道壓力與設(shè)定值近似相當(dāng)時(shí),，水錘效應(yīng)影響明顯，壓力波動(dòng)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(huì)導(dǎo)致振蕩問題,，見圖6,。引入濾波與數(shù)字PID控制后，系統(tǒng)控制品質(zhì)明顯好轉(zhuǎn),，響應(yīng)速度快,，克服了振蕩問題，見圖7,。表2為試驗(yàn)數(shù)據(jù)表,。

    該工廠供水系統(tǒng)是按照工業(yè)生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)的,，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的一系列功能,，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全性，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中取得了良好的效果,。只需作相應(yīng)修改就可推廣到相關(guān)供水系統(tǒng)中,。