控制网

1.引言

随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大。变频调速技术是一种新型的成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进，水压恒定，操作方便，运行可靠，节约电能，自动化程度高。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。

在泵站供水中可完成以下功能：

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可手动－自动运行；

 （3）多台泵自动切换运行；

（4）系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；

（5）在线调整PID参数；

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。

其工作原理如图1所示

图1  恒压供水系统的工作原理图

    将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。

2. 系统硬件

系统采用3台水泵并联运行方式，安装在管网的干线上压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4～20mA的电流信号，提供给PLC与变频器，经过模拟量输入模块，输入到PLC中，PLC跟根据给顶的压力设定值与实际的检测值进行PID运算，输出控制信号经过模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50HZ的频率信号供给水泵电机，调整其转速。本系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号：起动/停止（DI1、DI5）、模拟量给定（AI1）、实际值（AI2）、控制方式选择（DI2）、恒速（DI3）、允许运行（DI4）；3个输出信号：模拟输出（频率）、继电器输出1（故障）、继电器输出2（运行）；DIP开关选择输入0～10V电压值或0～20mA电流值（本系统采用电流值）。变频器根据（设定的）给定值AI1和（反馈的）实际值AI2，即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。

当水压需求不大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证需要的压力时，PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，并同时将下一台备用泵用变频器启动后投入运行，以加大网管的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，再将第3台水泵投入到变频运行。当用水量减小时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将最先工频运行的水泵停掉，以减小供水量。当上述2个信号仍存在的时候，PLC再停掉第2台工频运行的水泵，直到最后一台泵用变频器恒压供水。

 所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。同时，系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死，这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

本系统采用压力传感器，可编程控制器PLC和变频器作为中心控制装置，实现所需功能。图2为3台泵恒压供水系统的结构图。

图2   恒压供水系统的结构图

系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能快，以保证供水的连续性，水压波动尽可能小，从而提高供水质量。但元件动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上必须设置闭锁保护，即1Q与4Q，2Q与5Q，3Q与6Q不能同时闭合。

3. 系统软件

为了方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。

（1）运行模块

当系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此来判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。

（2）自动运行模块

自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。其中:数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。

图3  系统运行流程

4. 系统参数的确定

系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群，初始情况下，只有所谓的基本参数（小菜单）可以看到。只需设定简单的几个参数，变频器就可以工作。这是因为已编好的应用宏PID宏几乎能完成所有的应用需求，但仍需设定一些重要参数。

表1  主要基本参数的设定

除基本参数外，还必须对完整参数（大菜单）进行设定。
                                    


                                              图4  系统运算程序

变频器根据偏差调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持系统的恒压稳定状态。

5. 试验结果

试验记录的数据显示，系统在未进行滤波和PID控制时，响应速度特别慢，误差大，振荡严重。在未进行滤波而引入数字PID控制时，响应速度明显加快，但振荡问题未能得到解决，这是由于喘振现象的存在，当管道压力与设定值近似相当时，水锤效应影响明显，压力波动异常，PID的参数跟踪整定，形成恶性循环，管道中空气的存在也会导致振荡问题。引入滤波与数字PID控制后，系统控制品质明显好转，响应速度快，克服了振荡问题。

本系统是按照工业生产需求设计的，实现了预定的一系列功能，保证了系统的稳定性和安全性，在长时间运行中取得了良好的效果。


参考文献

[1] 钟肇新。可编程控制器原理和应用[M]。华南理工大学出版社。1993。

[2] 张建奇。数字PID变频调速在PLC恒压供水中的应用[M]。微计算机信息。2002。

[3] 任成玉。计算机控制技术与系统[G]。水利电力出版社。1985。

[4] 何克忠。计算机控制系统分析与设计[M]。清华大学出版社。1988。