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1.引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。為了保證供水，機組通常處于超壓狀態(tài)運行，不但效率低、耗電量大。變頻調(diào)速技術是一種新型的成熟的交流電機無極調(diào)速技術，它以其獨特優(yōu)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(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格的要求，因而變頻調(diào)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(jié)約電能，自動化程度高。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。分析水泵工況的能耗比較圖，可以看出利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，當轉(zhuǎn)速降低時，流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與傳統(tǒng)供水方式中用閥門節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。

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－自動運行；

 （3）多臺泵自動切換運行；

（4）系統(tǒng)睡眠與喚醒。當外界停止用水時，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，直至有用水需求時自動喚醒；

（5）在線調(diào)整PID參數(shù)；

（6）泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等。

其工作原理如圖1所示

圖1  恒壓供水系統(tǒng)的工作原理圖

    將管網(wǎng)的實際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進行比較，當管網(wǎng)壓力不足時，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。

2. 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)采用3臺水泵并聯(lián)運行方式，安裝在管網(wǎng)的干線上壓力傳感器，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，經(jīng)過模擬量輸入模塊，輸入到PLC中，PLC跟根據(jù)給頂?shù)膲毫υO定值與實際的檢測值進行PID運算，輸出控制信號經(jīng)過模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機的供電電壓和頻率。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(diào)整其轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)采用PID控制的應用宏，進行閉環(huán)控制。該宏提供了6個輸入信號：起動/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（本系統(tǒng)采用電流值）。變頻器根據(jù)（設定的）給定值AI1和（反饋的）實際值AI2，即根據(jù)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(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的水泵電機轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。

當水壓需求不大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證需要的壓力時，PLC給定的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，并同時將下一臺備用泵用變頻器啟動后投入運行，以加大網(wǎng)管的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺泵運轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，再將第3臺水泵投入到變頻運行。當用水量減小時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將最先工頻運行的水泵停掉，以減小供水量。當上述2個信號仍存在的時候，PLC再停掉第2臺工頻運行的水泵，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。

 所有水泵電機從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現(xiàn)帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊，相對延長了電機的使用壽命。同時，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關”的順序關泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。

本系統(tǒng)采用壓力傳感器，可編程控制器PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現(xiàn)所需功能。圖2為3臺泵恒壓供水系統(tǒng)的結構圖。

圖2   恒壓供水系統(tǒng)的結構圖

系統(tǒng)在設計時應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，水壓波動盡可能小，從而提高供水質(zhì)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(fā)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。

3. 系統(tǒng)軟件

為了方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動運行模塊、自動運行模塊和故障診斷與報警模塊組成。

（1）運行模塊

當系統(tǒng)處于手動運行時，PLC只接收各電路保護信號和各傳感器信號，并由此來判斷各工作水泵的運行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報警信號。水泵的起、停和切換由人工通過面板上的按鈕和開關來實現(xiàn)。

（2）自動運行模塊

自動運行模塊包括系統(tǒng)的初始化、開機命令的檢測、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運算子程序、置初值子程序、電機控制子程序等。其中:數(shù)據(jù)采集子程序完成對主水管壓力的數(shù)據(jù)采集。

圖3  系統(tǒng)運行流程

4. 系統(tǒng)參數(shù)的確定

系統(tǒng)變頻運行主要靠變頻器來實現(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)（小菜單）可以看到。只需設定簡單的幾個參數(shù)，變頻器就可以工作。這是因為已編好的應用宏PID宏幾乎能完成所有的應用需求，但仍需設定一些重要參數(shù)。

表1  主要基本參數(shù)的設定

除基本參數(shù)外，還必須對完整參數(shù)（大菜單）進行設定。
                                    


                                              圖4  系統(tǒng)運算程序

變頻器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當運行參數(shù)遠離目標參數(shù)時，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，系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。

5. 試驗結果

試驗記錄的數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)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。在未進行濾波而引入數(shù)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(xiàn)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(shù)跟蹤整定，形成惡性循環(huán)，管道中空氣的存在也會導致振蕩問題。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)，響應速度快，克服了振蕩問題。

本系統(tǒng)是按照工業(yè)生產(chǎn)需求設計的，實現(xiàn)了預定的一系列功能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，在長時間運行中取得了良好的效果。


參考文獻

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