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PLC及變頻調(diào)速技術(shù)在泵站恒壓供水中的應(yīng)用

      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,。 其工作原理如圖1所示,。

      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 泵站恒壓供水系統(tǒng)硬件構(gòu)成

      泵站恒壓供水系統(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,。圖2為3臺(tái)泵恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,。

      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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)高時(shí),，要切除一臺(tái)運(yùn)行泵,。所以不僅需要開(kāi)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(guò)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,。

      泵站恒壓供水系統(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(guò)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(guò)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 泵站恒壓供水系統(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(guò)程等問(wèn)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,。

      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,。 

3 泵站恒壓供水系統(tǒng)參數(shù)的確定

      泵站恒壓供水系統(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,。 

      除基本參數(shù)外,，還必須對(duì)完整參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

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

      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 泵站恒壓供水系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

      由于泵站恒壓供水系統(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)?？紤]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(jiàn)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(wèn)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(wèn)題，見(jiàn)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(wèn)題.

      該泵站恒壓供水系統(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。