PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)

變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴(yán)格要求，變頻調(diào)速技術(shù)也得到了更加深入的應(yīng)用。

成都市自來水公司六廠日產(chǎn)水量60萬噸，擔(dān)負(fù)著成都市區(qū)及周邊地區(qū)70%以上的供水任務(wù)。自1996年年底六廠的三期工程投產(chǎn)后開始向郫縣供水，使得我廠的供水方式從單一的重力流供水變?yōu)橹亓α骱蛪毫α鹘Y(jié)合供水的方式。自向郫縣供水以來，由于考慮到現(xiàn)階段郫縣的用水量較少，從節(jié)約能耗的角度出發(fā)，我廠使用一臺泵同時向郫縣供水和提供我廠的自用高壓水。為了滿足六廠自用水壓力，保證廠內(nèi)各個工藝環(huán)節(jié)設(shè)備（如消毒環(huán)節(jié)中的水射器）能正常工作，我廠自用水壓力須較恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用變頻調(diào)速控制是保證壓力恒定較為有效的方法。根據(jù)我們對郫縣城區(qū)供水量的了解，發(fā)現(xiàn)郫縣全天各時段用水量變化較大（見后圖5），如果不對供水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，管網(wǎng)壓力的波動也會很大，容易出現(xiàn)管網(wǎng)失壓或爆管事故。采用變頻恒壓供水控制后，當(dāng)郫縣用水量較小時，這時相應(yīng)管道和泵出口壓力均較大，變頻恒壓控制方式將會降低泵的頻率，減小泵出水量，從而降低管網(wǎng)壓力；反之亦然。這樣，小時用水量變化較大也不會造成管網(wǎng)壓力有較大的波動。經(jīng)過長期運行實踐，證明了變頻調(diào)速手段實現(xiàn)恒壓供水不僅保證廠內(nèi)自用高壓水壓力足夠且穩(wěn)定，而且保證了郫縣供水的安全可靠性。

2. 控制系統(tǒng)構(gòu)成

整個恒壓供水系統(tǒng)有兩組變頻泵，每組均由一臺變頻器和一臺水泵組成；系統(tǒng)以PLC為控制核心，由PLC采集壓力信號和輸出控制變頻泵的運行?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

PLC處理器選用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器，變頻泵選用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的變頻器和水泵。系統(tǒng)由兩只量程為0~1.0Mpa的壓力變送器分別檢測兩臺水泵后的輸水管道的壓力，壓力變送器將檢測到的壓力信號轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號，送到PLC子站的模擬量輸入模板（1771-IFE），通過PLC的PID運算，由模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出4~20mA的電流控制變頻泵的運行。

3. 控制原理及功能實現(xiàn)

3.1 PLC控制系統(tǒng)簡介

我廠采用Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器通過DH+通訊方式構(gòu)建了全廠PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，通過DH+網(wǎng)絡(luò)上的RSView工作站實現(xiàn)人機對話。RSView工作站是指運行人機圖形界面軟件（RSView32）的計算機工作平臺，該工作站建在中心控制室，是實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無人值守和運行集中管理的調(diào)度中心。利用RSView32可以有效地對控制過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，可以實現(xiàn)圖形化的人機對話界面，模擬生產(chǎn)運行的流程，在模擬流程上更加直觀地實現(xiàn)生產(chǎn)流程的全自動運行監(jiān)視、遠(yuǎn)程人工直接干預(yù)操作（如PID指令運行參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定）、控制環(huán)節(jié)報警監(jiān)視等功能?？刂平缑嫒鐖D2。

圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制圖形界面（RSView工作站）

3.2 恒壓供水的控制原理

SAMI STAR變頻器具有REMOTE和LOCAL兩種操作方式。LOCAL操作方式下，通過LOCAL START/STOP開關(guān)啟停變頻器，通過f REF LOCAL INPUT0 輸入端口的電位開關(guān)人工調(diào)節(jié)變頻器工作頻率；通過LOCAL/REMOTE輸入點可以將變頻器切換到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通過REMOTE START/STOP輸入點進(jìn)行PLC遠(yuǎn)程啟停變頻器，通過f REF REMOTE INPUT0端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率。根據(jù)供水量情況，我們把變頻器的工作頻率上限設(shè)定為水泵基頻，即頻率變化范圍控制在0~50Hz，在此范圍內(nèi)水泵運行頻率和定子相壓成正比（及與變頻器輸入頻率成正比），這使得變頻器輸入、水泵運行頻率和泵的輸出壓力成較好的線形關(guān)系，可得到較好的控制效果。SAMI STAR變頻器對用戶開放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE INPUT0、4~20mA信號輸入）；X11-15/16（輸出4~20mA變頻器運行頻率信號）；X11-17/18（輸出4~20mA變頻泵運行電流信號）。變頻器由PLC遠(yuǎn)程控制時，啟動是由PLC向X11-4輸出信號，使變頻器切換到外部設(shè)備控制方式（REMOTE方式），再向X11-1輸出信號，啟動變頻器。在恒壓調(diào)節(jié)時，PLC處理器把檢測到的壓力信號作為反饋值，與PID運算的壓力設(shè)定值（由調(diào)度人員根據(jù)情況在REView上設(shè)定）進(jìn)行比較，再經(jīng)過PID運算得到調(diào)節(jié)后的修正值，通過模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出到X11-13/14，作為REMOTE方式下變頻器的頻率控制信號，由于該信號是相對變頻器工作頻率上限的百分比，所以變頻器將輸入信號進(jìn)行內(nèi)部運算后轉(zhuǎn)為真實工作頻率。
為了使三期變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)與全廠自動控制網(wǎng)絡(luò)有機地結(jié)合起來，全面實現(xiàn)對恒壓供水系統(tǒng)的運行情況和設(shè)備運行進(jìn)行監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，更加安全可靠地實現(xiàn)恒壓供水，我們使用PLC進(jìn)行PID運算和監(jiān)控。PID閉環(huán)反饋控制原理如圖3：

圖3 閉環(huán)控制原理圖

PLC的PID運算調(diào)節(jié)通過該型處理器專用PID指令完成，通過設(shè)置各參數(shù)即可由PLC完成PID運算調(diào)節(jié)。PID程序段流程如圖4。PID指令必須以相同的時間間隔周期性地執(zhí)行，可采用計時器，定時中斷或?qū)崟r采樣的等方法，此處選用了定時方法；PV是PID指令采樣的壓力控制反饋值，SP是PID指令的壓力控制設(shè)定值，KP為PID的比例增益，KI為PID的積分增益，KD為PID的微分增益，這五個控制參數(shù)作為主要的PID參數(shù)參與控制，確定PID參數(shù)時要兼顧系統(tǒng)靈敏性和穩(wěn)定性，由于我們恒壓控制要求和設(shè)備的性能條件，參數(shù)設(shè)定更強調(diào)穩(wěn)定性（及KI），由于微分環(huán)節(jié)有放大噪聲的特點，我們將KD盡量設(shè)置得較小；SWM為PID指令轉(zhuǎn)為手動直接調(diào)頻的開關(guān)，SO設(shè)定為PID指令的在手動控制輸出方式時的輸出值，當(dāng)變頻器從PID自控調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為手動直接調(diào)頻時，SO替代PID運算結(jié)果作為轉(zhuǎn)換時的輸出值，將SO設(shè)定為控制值就可實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換，減小變頻器運行頻率的震蕩。DB為PID指令的死區(qū)設(shè)定值，輸出超出死區(qū)時PID指令通過自動運算限制輸出超出限定范圍。

圖4 PID流程圖

3.3 相關(guān)控制功能實現(xiàn)

為了防止運行時由于壓力變送器不可預(yù)見的故障造成PLC的PID運算調(diào)節(jié)失實，從而造成管網(wǎng)壓力失恒引發(fā)失壓或爆管的嚴(yán)重事故。我們分別在1#和2#變頻泵后輸水管上安裝壓力變送器，可以同時測到出廠輸水管線上的壓力；在PLC程序上對壓力信號進(jìn)行了相應(yīng)的處理，在程序中設(shè)置選擇軟開關(guān)，調(diào)度人員可以在RSView上將其中一臺壓力變送器的值設(shè)定為“控制反饋值”，另一臺壓力變送器的值則設(shè)為“參考反饋值”（見圖2：變頻恒壓供水系統(tǒng)控制圖形界面（RSView工作站））；對1#壓力和2#壓力值進(jìn)行比較，相差0.1Mpa時，判斷為，其中一只壓力變送器出現(xiàn)故障，變頻器控制轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程直接手動調(diào)頻控制（通過RSView設(shè)置運行）。壓力變送器正常工作時，“控制反饋值”經(jīng)過平均濾波處理后，分別比較壓力報警上限和下限值，如果超出控制范圍，變頻器控制轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程直接手動調(diào)頻控制，否則“控制反饋值”作為PID調(diào)節(jié)的參數(shù)PV。

同時為了在就地手動控制實現(xiàn)在控制現(xiàn)場對變頻泵進(jìn)行開?？刂坪瓦\行數(shù)據(jù)監(jiān)視。我們在變頻泵工作現(xiàn)場安裝了A-B公司的PanelView圖形工作終端，該工作終端提供圖形交互界面和觸摸輸入方式，以從站的方式與PLC進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的交換，提供就地監(jiān)控操作的通道。

4. 運行效果分析

4.1 有效保證郫縣供水和我廠自用水壓力穩(wěn)定，提高我廠供水安全可靠性

圖5為數(shù)據(jù)庫采集的2001年某日我廠恒壓變頻泵出水壓力、頻率變化以及郫縣供水和自用水流量、管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)關(guān)系圖。

圖5 變頻恒壓控制頻率、壓力、供水量關(guān)系圖

從圖中數(shù)據(jù)可看出郫縣小時供水量變化很大，如果采用定速泵進(jìn)行供水必然會導(dǎo)致高峰供水時段內(nèi)管網(wǎng)供水壓力不足，夜間用水量較小時管網(wǎng)壓力過高，造成爆管現(xiàn)象。采用變頻恒壓控制后，變頻器的頻率隨郫縣用水量的變化而變化，及時調(diào)節(jié)我廠對郫縣供水量，從而使郫縣城區(qū)管網(wǎng)壓力在一個較小的范圍內(nèi)變化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，雖然我廠自用水秒流量變化不大，但由于我廠自用水和郫縣供水為同一水泵加壓后，分作兩條支流，郫縣用水量的變化必然也會導(dǎo)致自用水壓力不穩(wěn)定，采用恒壓變頻控制方式，基本克服了這種變化因素。從上圖曲線也可看出，我廠自用水壓力基本恒定不變。這樣保證了我廠加氯水射器等重要設(shè)備的正常工作，保證了正常的消毒工藝流程，從而保證我廠出廠水水質(zhì)，提高我廠供水的安全可靠性。

4.2 高效節(jié)能

通過采用變頻調(diào)速恒壓控制，可在不同季節(jié)、全天不同時段內(nèi)有效即時地調(diào)控水量，這樣在用水量較低時，大大節(jié)約供水量，減少電耗。

在設(shè)定壓力內(nèi)跟隨用水量供水，避免了傳統(tǒng)供水方式的損耗，降低噸水消耗。

4.3 提高自動化水平

根據(jù)我廠建立自動控制系統(tǒng)的原則“分散控制、集中管理、現(xiàn)場無人值守”，變頻恒壓供水技術(shù)的應(yīng)用提高了我廠自控系統(tǒng)的整體水平，真正作到了操作簡便安全，現(xiàn)場無人職守，運行安全可靠。