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1.引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來(lái)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(diǎn)是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。為了保證供水，機(jī)組通常處于超壓狀態(tài)運(yùn)行，不但效率低、耗電量大。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的成熟的交流電機(jī)無(wú)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(duì)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。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率f來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)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(shí)現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，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(mén)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(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(cè)報(bào)警，信號(hào)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(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。

2. 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)采用3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，安裝在管網(wǎng)的干線上壓力傳感器，用于檢測(cè)管網(wǎng)的水壓，將壓力轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號(hào)，提供給PLC與變頻器，經(jīng)過(guò)模擬量輸入模塊，輸入到PLC中，PLC跟根據(jù)給頂?shù)膲毫υO(shè)定值與實(shí)際的檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。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(hào)供給水泵電機(jī)，調(diào)整其轉(zhuǎn)速。本系統(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(hào)：起動(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(hào)：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(kāi)關(guān)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(shè)定的）給定值AI1和（反饋的）實(shí)際值AI2，即根據(jù)恒壓時(shí)對(duì)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(hào)，利用PID控制宏自動(dòng)調(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來(lái)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。

當(dāng)水壓需求不大時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證需要的壓力時(shí)，PLC給定的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被PLC檢測(cè)到，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，并同時(shí)將下一臺(tái)備用泵用變頻器啟動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大網(wǎng)管的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能滿(mǎn)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(yùn)行，再將第3臺(tái)水泵投入到變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減小時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效，這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍出現(xiàn)，PLC首先將最先工頻運(yùn)行的水泵停掉，以減小供水量。當(dāng)上述2個(gè)信號(hào)仍存在的時(shí)候，PLC再停掉第2臺(tái)工頻運(yùn)行的水泵，直到最后一臺(tái)泵用變頻器恒壓供水。

 所有水泵電機(jī)從停止到啟動(dòng)及從啟動(dòng)到停止都由變頻器來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來(lái)沖擊，相對(duì)延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。同時(shí)，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)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(yùn)行時(shí)間，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L(zhǎng)期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)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(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。

圖2   恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

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(guò)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(guò)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。

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(dòng)運(yùn)行模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警模塊組成。

（1）運(yùn)行模塊

當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC只接收各電路保護(hù)信號(hào)和各傳感器信號(hào)，并由此來(lái)判斷各工作水泵的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報(bào)警信號(hào)。水泵的起、停和切換由人工通過(guò)面板上的按鈕和開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）自動(dòng)運(yùn)行模塊

自動(dòng)運(yùn)行模塊包括系統(tǒng)的初始化、開(kāi)機(jī)命令的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運(yùn)算子程序、置初值子程序、電機(jī)控制子程序等。其中:數(shù)據(jù)采集子程序完成對(duì)主水管壓力的數(shù)據(jù)采集。

圖3  系統(tǒng)運(yùn)行流程

4. 系統(tǒng)參數(shù)的確定

系統(tǒng)變頻運(yùn)行主要靠變頻器來(lái)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)（小菜單）可以看到。只需設(shè)定簡(jiǎn)單的幾個(gè)參數(shù)，變頻器就可以工作。這是因?yàn)橐丫幒玫膽?yīng)用宏PID宏幾乎能完成所有的應(yīng)用需求，但仍需設(shè)定一些重要參數(shù)。

表1  主要基本參數(shù)的設(shè)定

除基本參數(shù)外，還必須對(duì)完整參數(shù)（大菜單）進(jìn)行設(shè)定。
                                    


                                              圖4  系統(tǒng)運(yùn)算程序

變頻器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。

5. 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)在未進(jìn)行濾波和PID控制時(shí)，響應(yīng)速度特別慢，誤差大，振蕩嚴(yán)重。在未進(jìn)行濾波而引入數(shù)字PID控制時(shí)，響應(yīng)速度明顯加快，但振蕩問(wèn)題未能得到解決，這是由于喘振現(xiàn)象的存在，當(dāng)管道壓力與設(shè)定值近似相當(dāng)時(shí)，水錘效應(yīng)影響明顯，壓力波動(dòng)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(huì)導(dǎo)致振蕩問(wèn)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(yīng)速度快，克服了振蕩問(wèn)題。

本系統(tǒng)是按照工業(yè)生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的一系列功能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中取得了良好的效果。


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