PLC及變頻調(diào)速技術(shù)在泵站恒壓供水中的應(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(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)檢測報(bào)警，信號顯示等。 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(jī)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(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：啟動(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：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(dòng)調(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(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。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(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 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺(tái)泵進(jìn)行控制的程序。它對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，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，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)，情況簡單，首先啟動(dòng)一號泵即可。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(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。