摘要：根據(jù)工業(yè)恒壓供水的要求，采用PLC與變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)供水泵組進(jìn)行控制，并在控制系統(tǒng)中引進(jìn)了軟硬件雙重濾波技術(shù)和數(shù)字PID在線控制技術(shù)。介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì)、工作原理、運(yùn)行方式、參數(shù)整定等。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很好。

    關(guān)鍵詞：恒壓供水；變頻調(diào)速；水泵；PLC

    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。 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 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

    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。

    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 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。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 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。 主要基本參數(shù)見表1。

    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?？刂票磉_(dá)式為：
    

    系統(tǒng)運(yùn)算程序見圖4。

    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)?？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，見圖7。表2為試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。

    該系統(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。

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