聶勝軍，郭來功，朱明智，馬銀鑫

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，圍繞煤化工方面的工業(yè)產(chǎn)品需求日益增長，而各種煤化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都伴隨著水的大量消耗.這些年來，水務(wù)公司都面臨著擴(kuò)充產(chǎn)能，改造老舊供水系統(tǒng)，以填補(bǔ)工廠的用水缺口.只要稍微查看相關(guān)資料，不難發(fā)現(xiàn)，由于變頻器以及PLC設(shè)備的技術(shù)趨于成熟，選擇了加裝變頻器，改造老式PLC控制柜幾乎成為供水系統(tǒng)改造的首選.問題在于供水的水量是動態(tài)變化的，而出水管道的壓力需恒定.基于PLC的變頻恒壓控制方式就可以很好地解決這個問題，這也是當(dāng)今主流供水控制系統(tǒng)選擇的主要方式[1].傳統(tǒng)的供水方案大多是恒速泵供水，與之相比，此方案具有自動化程度高、節(jié)能高效、延長水泵電機(jī)使用壽命等優(yōu)點(diǎn).本文以淮北某水廠的送水泵房改造設(shè)計方案為例，安排了基于PLC的變頻器控制多臺水泵，可以遠(yuǎn)程自動控制，切換運(yùn)行方式，以實(shí)現(xiàn)恒壓供水.

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由吸水井、水泵機(jī)組、變頻器、PLC控制器、壓力傳感器及供水管網(wǎng)組成.前面由反應(yīng)沉淀池加藥反應(yīng)沉淀，經(jīng)濾池過濾后的水進(jìn)入清水池，再由吸水井接入送水管道.一般采用兩臺變頻泵和兩臺工頻泵進(jìn)行送水工作，工作策略是“三用一備”.查看4臺送水泵的電機(jī)銘牌，可以得到功率都是220 kW，揚(yáng)程為55 m，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，流量為1 120 m3/h.

變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示.出水管道壓力值不停地反饋到PLC控制器，PLC控制器再將出水壓力值與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差值，再通過PLC使用PID控制算法對變頻器的輸出頻率調(diào)節(jié)，從而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)實(shí)時調(diào)節(jié)供水管網(wǎng)水壓，保持出水壓力恒壓[2].

圖1 變頻恒壓供水系統(tǒng)

2 供水系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC控制器硬件設(shè)計

PLC選用的是西門子S7-1500系列產(chǎn)品.DI、DO模塊輸入、輸出信號為DC24V信號，強(qiáng)電與弱電采取中間繼電器進(jìn)行隔離，中間繼電器帶指示燈和強(qiáng)制按鈕.AI、AO模塊負(fù)責(zé)信號采集和輸出，設(shè)計的電流信號為4～20 mA.PLC預(yù)留RS485接口，信號線采用端子排中轉(zhuǎn)的方式接入PLC柜，不直接接入PLC模塊端子.1#泵、2#泵都需要工頻、變頻切換運(yùn)行，3#、4#泵只需要工頻運(yùn)行，需要PLC的6個輸出信號控制，而變頻器的極值輸出頻率的檢測信號需要一個輸入點(diǎn).當(dāng)輸出管網(wǎng)的壓力處于上下限位置，傳感器分別輸出開關(guān)信號進(jìn)PLC兩個輸入點(diǎn)，與變頻器的極值輸出頻率的檢測信號一起，再經(jīng)過PLC控制水泵的變頻與工頻轉(zhuǎn)換，同時關(guān)閉工頻泵的運(yùn)行[3].此系統(tǒng)設(shè)計的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共有20個，選擇西門子的PLC是因?yàn)槠溆泄ぷ鞣€(wěn)定、在潮濕環(huán)境可靠性高等優(yōu)點(diǎn).詳細(xì)的I/O分布情況如表1所列.

表1 PLC控制器I/O分配表

2.2 變頻器硬件設(shè)計

由于水泵電機(jī)的功率為220 kW，所以選用變頻器的輸出功率為250 kW，保證設(shè)備穩(wěn)定高效的運(yùn)行.型號為英威騰(invt)GD270-250-4，額定電壓380 V，可輸出460 A電流，空間矢量控制模式，變頻器頻率設(shè)定范圍0～50 Hz，具有軟啟動、過流/過壓/過載、欠壓、缺相等保護(hù)功能.基本控制回路接線圖如圖2所示，AI1電壓電流可選0～10 V，0～20 mA，AI2的是-10～+10 V電壓，AI1電壓或電流輸入由跳線J11設(shè)定.AO0電流電壓的可選范圍與AI1相同，AO0和AO1電流或電壓輸出由跳線J7和J6設(shè)定.RO1表示繼電器輸出，RO1A為常開觸點(diǎn)，RO1B為常閉觸點(diǎn)，RO1C為公共端.GND表示+10.5 V的參考零電位，PE為接地端子，PW表示由外部向內(nèi)部提供輸入開關(guān)量工作電源，COM為公共端.S1～S4是開關(guān)量輸入.24 V表示變頻器提供用戶電源，最大輸出電流200 mA.HDIA除去開關(guān)量輸入功能外，還可作為高頻脈沖輸入通道.

圖2 基本控制回路接線

2.3 壓力傳感器設(shè)計

翻閱泵站值班記錄，供水管道的水壓基本沒超過0.5 MPa，所以本設(shè)計使用的水壓傳感器量程為0～1 MPa，檢測精度范圍為±0.01 MPa.將0～1 MPa的壓力范圍與0～10 V的電信號對應(yīng)，方便信號處理.

2.4 系統(tǒng)主回路接線圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，結(jié)合前面的各種硬件選型，系統(tǒng)主回路的接線方式如圖3所示.兩臺水泵(1#，2#)分別通過兩個接觸器與變頻器和主電路相連接，有變頻、工頻兩種運(yùn)行狀態(tài)[4].另外兩臺水泵直接通過接觸器接入主電路，只進(jìn)行工頻運(yùn)轉(zhuǎn).QF1表示空氣開關(guān)，控制主電路回路.QF2、QF3是接在變頻器的線路上，作用是分別控制對應(yīng)的變頻器，QF4、QF5直接從主回路下來，作用是分別控制兩臺工頻水泵.熱繼電器FR是具有延時動作的限流保護(hù)器件，4臺水泵電機(jī)分別對應(yīng)FR1～FR4，起到過載保護(hù)作用.

圖3 系統(tǒng)主回路接線圖

3 供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)對供水管道處反饋的水壓等信號分析處理，調(diào)整投入的水泵及其工作狀態(tài)，同時對故障信號進(jìn)行研判處理[5].系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示,整個軟件系統(tǒng)的具體運(yùn)行過程如下：

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

(1)初始化程序.系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)下，工頻水泵處于投入一臺，另外一臺備用狀態(tài)；

(2)電路故障和急停程序.開始運(yùn)行時檢查電路是否正常，如果出現(xiàn)問題，立即緊急停止；

(3)遠(yuǎn)程/手動切換程序.在初始化程序中預(yù)先設(shè)置，PLC開始執(zhí)行時接收中控室遠(yuǎn)程還是手動控制指令；

(1)部分高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)班課程的體系安排和普通本科高校課程差別不大，尤其是在通識課程的設(shè)計上，難以做到有針對性地培養(yǎng)人才。

(4)故障處理程序.當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換進(jìn)入工頻運(yùn)行模式，兩臺變頻水泵直接工頻運(yùn)轉(zhuǎn).當(dāng)水泵電機(jī)出現(xiàn)故障時，空氣開關(guān)和熱繼電器對電機(jī)開始保護(hù).如果一臺水泵電機(jī)出現(xiàn)故障，則另外一臺備用水泵立即投入工作，保障系統(tǒng)最低供水需求，并且發(fā)出報警信號；

(5)增加/減少變頻泵程序.當(dāng)出水管道壓力處于欠壓時，增加啟動變頻水泵[7].如果變頻水泵都投入工作時，水壓還是未能達(dá)到供水的最小壓力，則可調(diào)節(jié)切斷變頻器控制，直接軟啟動工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，待達(dá)到出水壓力時，再切換為變頻控制.當(dāng)出水壓力處于超壓時，則可以減少變頻泵的投入.如果壓力還是超過供水的最大壓力，可以將工頻水泵移除，待水壓正常后，再投入運(yùn)轉(zhuǎn).

4 系統(tǒng)設(shè)計理論

通過在這個水廠一段時間的學(xué)習(xí)調(diào)查，可以得出每日平均用水需求曲線.由于工業(yè)生產(chǎn)的特殊性，用水的高峰時段集中在晚上23:00之后，一直持續(xù)到早上8:00.相反在8:00到18:00這段時間的用水量較少.可以根據(jù)用水情況，在不同的供水時段改變供水壓力、流量，從而有效減少資源的浪費(fèi).在系統(tǒng)中，采用PID控制算法對供水管道的出水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以將出水管道口的壓力變化系統(tǒng)看作是一階慣性環(huán)節(jié),具體的調(diào)節(jié)原理如圖5所示，供水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，壓力傳感器將檢測到的供水管道信號反饋給變頻器，變頻器初始設(shè)定的值和反饋值之間產(chǎn)生的偏差作為PID調(diào)節(jié)的輸入信號，處理后改變變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)恒壓控水的目的[8].

圖5 PID調(diào)節(jié)原理圖

從圖5可以分析出，設(shè)定壓力與實(shí)際壓力之間的偏差為主要控制對象，其關(guān)系可表示為(1)：

e(t)=y(t)-r(t).

(1)

PID控制器主要作用是使e(t)的值趨于零，這樣可以最大程度的消除誤差[6].但實(shí)際中誤差難以避免，只能不斷提高控制算法的精度，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.PID調(diào)節(jié)的過程大致有以下3個狀態(tài)：①供水穩(wěn)定時，出水管道壓力不變，壓力反饋值y(t)與設(shè)定值r(t)偏差為0，促使PID控制器的輸出增量為零，變頻器的輸出頻率不發(fā)生改變，系統(tǒng)在一個穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行;②供水需求上升時，出水管道壓力變小，壓力反饋值y(t)下降，與設(shè)定值r(t)的偏差小于0，這時候PID控制器的輸出增量為正，輸出增量傳遞到變頻器，變頻器開始提高輸出的頻率，從而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，增加供水流量，提高管道壓力，系統(tǒng)處于一個新的平衡;③供水需求下降時，出水管道壓力變大，壓力反饋值y(t)上升，與設(shè)定值r(t)的偏差大于0，此時PID控制器的輸出增量為負(fù)，輸出增量傳遞到變頻器，變頻器開始降低輸出的頻率，從而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速減慢，減少供水流量，管道壓力得到有效降低，系統(tǒng)又達(dá)到一個新的平衡狀態(tài).

5 結(jié)語

本系統(tǒng)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)，融合了PID調(diào)節(jié)算法，對水務(wù)公司供水系統(tǒng)進(jìn)行了一些簡單設(shè)計.針對水務(wù)公司的實(shí)際情況，改造后的供水系統(tǒng)具有使用方便、性能可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定、無人化程度高等優(yōu)點(diǎn).

(2)由于變頻器的使用，大大減少了水泵的啟停次數(shù)，同時啟停也可做到軟啟動和軟停止，既保護(hù)了水泵的機(jī)械性能、減少了疲勞損壞，也避免了快啟快停產(chǎn)生的水錘效應(yīng).

(3)采用PID調(diào)節(jié)器，使加減泵的過程更加平穩(wěn)，擾動更小.系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，初始的設(shè)定壓力可以根據(jù)用水實(shí)際調(diào)節(jié)，與出水管網(wǎng)產(chǎn)生的偏差波動范圍更小，有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.