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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無極調(diào)速技術(shù)，它以其獨特優(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，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，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、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高，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/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(diào)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(wǎng)的實際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進行比較，當管網(wǎng)壓力不足時，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，用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉(zhuǎn)化為4～20mA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(shè)備，能按照水壓恒定需要將0～50Hz的頻率信號供給水泵電機，調(diào)整其轉(zhuǎn)速。ACS變頻器功能強大，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(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和實際值A(chǔ)I2，即根據(jù)恒壓時對應(yīng)的電壓設(shè)定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動調(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的水泵電機轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。

    根據(jù)泵站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(zhuǎn)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(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。它在應(yīng)用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣，隨時將模擬量轉(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，并將計算結(jié)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(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給PLC[1>，與恒壓對應(yīng)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(shè)為工頻50Hz，下限設(shè)為20Hz）進行比較，實現(xiàn)泵的切換與轉(zhuǎn)速的變化。

    工廠供水系統(tǒng)在設(shè)計時應(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，水壓波動盡可能小，從而提高供水質(zhì)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(shè)置閉鎖保護，即1Q與4Q，2Q與5Q，3Q與6Q不能同時閉合。    

2 工廠供水系統(tǒng)軟件設(shè)計

    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(yù)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(fù)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(yù)先設(shè)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(shè)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(shè)置元件動作順序及延時，防止誤動作發(fā)生。系統(tǒng)切換泵流程見圖3。

    考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對運行狀態(tài)的影響，在設(shè)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。

    計算最近10次采樣的平均值，其計算公式如下：

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(shè)定簡單的幾個參數(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)，當運行參數(shù)遠離目標參數(shù)時，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，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)。

4 試驗結(jié)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)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[5]。

　　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(yīng)速度特別慢、誤差大、振蕩嚴重，見圖5。在未進行濾波而引入數(shù)字PID控制時，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；當管道壓力與設(shè)定值近似相當時，水錘效應(yīng)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(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)計的，實現(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，在長時間運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。