PLC及變頻調速技術在工廠供水系統中的應用

0 引言

    供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環。傳統供水方式占地面積大，水質易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，它以其獨特優良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業中。由于安全生產和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、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）控制系統可手動/自動運行；（3）多臺泵自動切換運行；（4）系統睡眠與喚醒。當外界停止用水時，系統處于睡眠狀態，直至有用水需求時自動喚醒；（5）在線調整PID參數；（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。

1 工廠供水系統硬件構成

    工廠供水系統采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現所需功能。

    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4～20mA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集，應用宏將使用過程中所需設定的參數數量減小到最小，參數的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統采用PID控制的應用宏，進行閉環控制。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0～10V電壓值或0～20mA電流值（系統采用電流值）。變頻器根據給定值AI1和實際值AI2，即根據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，改變頻率輸出值來調節所控制的水泵電機轉速，以保證管網壓力恒定要求。

    根據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速外，還要通過增減運行泵的臺數來維持水壓恒定，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，還需數據處理能力，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字量，放在數據寄存器中，由數據處理指令調用，并將計算結果隨時放在指定的數據接觸器中。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字量，提供給PLC[1>，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，實現泵的切換與轉速的變化。

    工廠供水系統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。    

2 工廠供水系統軟件設計

    控制系統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，主要解決系統的手動及自動切換、各元件和參數的初始化、信號及通訊數據的預處理、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，發出減泵信號，切除在工頻運行方式中的1臺泵。系統剛啟動時，情況簡單，首先啟動一號泵即可。但考慮3臺泵聯合運行時情況復雜，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號泵的順序優先考慮。

    為了防止故障的發生，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，防止誤動作發生。系統切換泵流程見圖3。

    考慮到系統工作環境對運行狀態的影響，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，當模擬輸入信號變化時，63％的變化發生在所定義的時間常數中；軟件上采用數字濾波的方式，系統采用平均值的方法。

    計算最近10次采樣的平均值，其計算公式如下：

3 工廠供水系統參數的確定

    系統變頻運行主要靠變頻器來實現。變頻器有一數量很大的參數群，初始情況下，只有所謂的基本參數可以看到。只需設定簡單的幾個參數，變頻器就可以工作。

    變頻器根據偏差調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統達到一個動態平衡，維持系統的恒壓穩定狀態。

4 試驗結果

   由于系統的顯示和通訊功能，可以對系統工作情況進行監測?？紤]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。獲得的數據經MATLAB進行插值擬合可得系統在不同條件下跟蹤壓力變化的曲線[5]。

　　試驗記錄的數據顯示，系統在未進行濾波和PID控制時，響應速度特別慢、誤差大、振蕩嚴重，見圖5。在未進行濾波而引入數字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的參數跟蹤整定，形成惡性循環，管道中空氣的存在也會導致振蕩問題，見圖6。引入濾波與數字PID控制后，系統控制品質明顯好轉，響應速度快，克服了振蕩問題，見圖7。表2為試驗數據表。

    該工廠供水系統是按照工業生產需求設計的，實現了預定的一系列功能，保證了系統的穩定和安全性，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中。