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趙鵬飛

1  概述
PLC自問世以來，發(fā)展異常迅猛。時至今日已擁有門類齊全的各種功能模塊和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，其應(yīng)用范圍可以覆蓋現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域，滿足各類受控對象的不同控制要求。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，它以其獨(dú)特的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。將PLC與變頻器結(jié)合可大大優(yōu)化傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，大體有兩種：一種是采用高位水箱，另一種是采用恒速泵打水。前者造價較高，投資成本大。后者使泵滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，無法調(diào)節(jié)水量，因此浪費(fèi)電能。以上兩種方式還有著共同缺點(diǎn)，就是管道中水壓不穩(wěn)，時高時低。
如今，供水系統(tǒng)已越來越多地采用變頻恒壓供水。例如，某化工廠的廢水處理采用循環(huán)系統(tǒng)，將生產(chǎn)車間的廢水收集至廢水池，經(jīng)一系列物理、化學(xué)處理后，回送至車間使用。該控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，即水處理系統(tǒng)和自動恒壓供水系統(tǒng)。自動恒壓供水系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)車間瞬時變化的用水量，以及與其對應(yīng)的壓力兩種參數(shù)，通過PLC和變頻器自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)數(shù)及臺數(shù)，來改變水泵出口的壓力和流量，使車間的用水壓力保持恒定值。
2  系統(tǒng)構(gòu)成
供水系統(tǒng)如圖1所示。P1、P2為加壓泵，用于向車間加壓供水，F(xiàn)1、F2為手動閥門，F(xiàn)3、F4為止回閥。正常供水時，F(xiàn)1、F2為開啟狀態(tài)，只有在檢修時才關(guān)閉。蓄水池內(nèi)設(shè)有液位控制，當(dāng)蓄水池內(nèi)水位過低，它會向PLC發(fā)送信號使系統(tǒng)停機(jī)，以防水泵抽空。該系統(tǒng)設(shè)有選擇開關(guān)，可選擇系統(tǒng)在自動和手動狀態(tài)下工作。當(dāng)選擇手動狀態(tài)時，可分別通過按鈕控制兩臺泵單獨(dú)在工頻下運(yùn)行與停止，這主要用于定期檢修臨時供水。當(dāng)選擇自動狀態(tài)時，可實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。
 

圖1  系統(tǒng)供水示意圖

3  工作原理
系統(tǒng)工作原理如圖2所示。PLC首先利用變頻器軟啟動一臺加壓泵，此時安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實(shí)測的管網(wǎng)壓力反饋給變頻器，與預(yù)先通過變頻器面板設(shè)定的給定壓力值進(jìn)行比較，通過變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。
具體地說，在某一壓力下，當(dāng)用水量增大時，管路壓力下降，產(chǎn)生偏差，該信號被送入控制器進(jìn)行處理，控制器產(chǎn)生一定的電信號控制變頻器升頻，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水增加，壓力恢復(fù)。反之，用水量減少時，工作機(jī)理同上所述。由于整個過程壓力偏差較小，調(diào)節(jié)時間較短，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒壓。實(shí)際上，這是一個動態(tài)調(diào)整過程。
 

圖2  控制系統(tǒng)圖

在用水量較大時，變頻器輸出頻率接近工頻，而管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到壓力設(shè)定值，PLC將當(dāng)前工作的變頻泵由變頻切換到工頻下工作，并關(guān)斷變頻器，再將變頻器切換到另一臺泵，由變頻器軟啟動該泵，實(shí)現(xiàn)一臺工頻一臺變頻雙泵供水。隨著用水量減少，變頻器輸出頻率下降，當(dāng)降至頻率下限，而壓力仍能達(dá)到壓力設(shè)定值時，PLC將工頻工作泵切除，只由剩下的單泵變頻供水。系統(tǒng)無論單泵變頻工作，還是雙泵一臺工頻一臺變頻工作，始終控制管網(wǎng)壓力與給定壓力值保持一致，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。
 

圖3  水泵切換示意圖

水泵切換程序如圖3所示，是根據(jù)設(shè)定的壓力與壓力傳感器測定的現(xiàn)場壓力信號之差△P來控制的。當(dāng)△P＞0時，增加輸出電流的大小，提高變頻器的輸出頻率，從而使變頻泵轉(zhuǎn)速加快，實(shí)際水壓得以提高；當(dāng)△P＜0時，則變頻泵轉(zhuǎn)速降低，實(shí)際水壓減少，△P減少。經(jīng)過多次調(diào)整，直至△P=0。由此，實(shí)際壓力在設(shè)定壓力附近波動，保證壓力恒定。如果實(shí)際壓力太小，某臺調(diào)速泵調(diào)整到最大供水量仍不足以使△P=0，則該臺變頻泵切換至工頻，而增加下一臺泵為變頻工作；如果實(shí)際壓力過大，本臺調(diào)速泵調(diào)整到最小供水量仍不足以使△P=0，則關(guān)閉上次轉(zhuǎn)換成工頻的水泵，再進(jìn)行調(diào)整。這樣每臺泵在工頻和變頻之間切換，做到先開先停，后開后停，即所謂的循環(huán)調(diào)頻。各泵均衡運(yùn)行，合理利用資源，延長泵的使用壽命，減少維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用。
4  系統(tǒng)設(shè)計
4.1  變頻器硬件設(shè)計
變頻器選用日本三菱變頻器FR-E540-4K產(chǎn)品，適配電機(jī)4kW。該變頻器基本配置中帶有PID功能，通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的壓力信號（0～10V）接至變頻器的輔助輸入端作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上。
4.2  PLC硬件設(shè)計
PLC選用日本三菱公司的FXos-14MR產(chǎn)品。加壓泵P1、P2可變頻工作，也可工頻工作，共四個工況，需PLC的四個輸出信號控制。變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的一個輸出信號控制，蓄水池水位過低及聲響報警分別占用PLC一個輸入點(diǎn)和一個輸出點(diǎn)，加壓泵P1、P2的過載信號進(jìn)PLC的兩個輸出點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC一個輸入點(diǎn)，有緊急情況和發(fā)生供電相序故障等，需要緊急停車時，系統(tǒng)設(shè)有一個急停按鈕，占用PLC一個輸入點(diǎn)，以控制整個系統(tǒng)全線停車。系統(tǒng)分自動和手動工作方式，由一個選擇開關(guān)K控制，它連接PLC一個輸入點(diǎn)。
該控制系統(tǒng)中，安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器將0～0.4MPa范圍的壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)換成0～10V電信號，反饋給變頻器，作為壓力反饋。該傳感器可靠性好，還可設(shè)定水壓的上、下限壓力值。它們分別設(shè)在給定壓力值上下兩側(cè)與給定壓力略有偏差處。當(dāng)管網(wǎng)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)，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起，通過PLC控制泵的變頻與工頻切換以及控制工頻工作泵的切除。
系統(tǒng)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共為14個點(diǎn)，F(xiàn)Xos-14MR PLC共有8個輸入點(diǎn)，6個輸出點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。FX系列PLC具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)，可長期在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。
4.3  系統(tǒng)參數(shù)的確定
該供水系統(tǒng)的用水量變化較大，要求系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力及良好的穩(wěn)定性。因此在確定PID參數(shù)時要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)固性和靈敏度，P參數(shù)盡可能大，以保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性，在集中供水時保證系統(tǒng)壓力在設(shè)計要求的恒壓范圍內(nèi)；I、D參數(shù)的選取應(yīng)保證系統(tǒng)具有良好的靈敏度和抗干擾性。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出各參數(shù)的取值，P:60～80；I:10～15；D:1～3。
變頻到工頻的切換采用時間原則，即水泵電機(jī)變頻工作到額定轉(zhuǎn)速后，撤銷變頻，自由減速一定時間，待轉(zhuǎn)速略有降低后立即投入工頻工作。時間的長短要使工頻接入時其啟動電流在額定電流的150%內(nèi)，而且保證電機(jī)與變頻器連接的接觸器安全斷開。
5  應(yīng)用效果
該系統(tǒng)于2001年7月正式投入運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：
①  節(jié)能通過調(diào)整頻率來改變泵的轉(zhuǎn)速，使泵處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能約35%。
②  延長電動機(jī)的使用壽命 由于電動機(jī)的啟動電流為額定電流的5～7倍，沖擊轉(zhuǎn)矩很大。變頻啟動是一種軟啟動方式，可避免對電機(jī)的機(jī)械沖擊，且保護(hù)了管路系統(tǒng)。
③  有可靠的保護(hù)措施 高可靠性是PLC最突出的特點(diǎn)之一。由于變頻器自身設(shè)置過流、過壓、欠壓保護(hù)，消除了電機(jī)因過載或單相運(yùn)行而燒壞電機(jī)的現(xiàn)象，確保了安全生產(chǎn)。
④  減少設(shè)備的磨損 由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都降至額定轉(zhuǎn)速以下，水泵電機(jī)工作電流下降，電機(jī)溫升明顯下降，使泵及管路的磨損程度大大減少，維修工作量也大大減少。
⑤  提高了工作效率 系統(tǒng)能自動控制泵的啟停，不需專人啟動泵及調(diào)節(jié)閥門開度。因而工作效率大為提高，節(jié)約了人力資源成本。