摘要：根據(jù)工業(yè)恒壓供水的要求您没，采用PLC與變頻調速技術對供水泵組進行控制完株，并在控制系統(tǒng)中引進了軟硬件雙重濾波技術和數(shù)字PID在線控制技術米原。介紹了系統(tǒng)的硬件構成盒咪、軟件設計完各、工作原理勘春、運行方式、參數(shù)整定等右婚。長時間的運行表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很好刹埋。

0 引言

        供水系統(tǒng)是國民生產生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大耍才，水質易污染这敬，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定蕉朵，導致部分設備不能正常工作崔涂。變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，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始衅，特別是供水行業(yè)中冷蚂。由于安全生產和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求汛闸，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用蝙茶。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定诸老、操作方便隆夯、運行可靠、節(jié)約電能孕锄、自動化程度高吮廉，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/自動運行畸肆；(3)多臺泵自動切換運行宦芦；(4)系統(tǒng)睡眠與喚醒。當外界停止用水時闺酬，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)哟口，直至有用水需求時自動喚醒；(5)在線調整PID參數(shù)瑟捡；(6)泵組及線路保護檢測報警棠雌，信號顯示等。

        將管網的實際壓力經反饋后與給定壓力進行比較占航，當管網壓力不足時旬城，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快篙介，供水量增加卒赖，迫使管網壓力上升。反之水泵轉速減慢村肯，供水量減小睡清，管網壓力下降疏菩，保持恒壓供水。

1 系統(tǒng)硬件構成

        系統(tǒng)采用壓力傳感器刨仑、PLC和變頻器作為中心控制裝置郑诺，實現(xiàn)所需功能。

        安裝在管網干線上的壓力傳感器杉武，用于檢測管網的水壓辙诞，將壓力轉化為4～20mA的電流信號，提供給PLC與變頻器艺智。

        變頻器是水泵電機的控制設備倘要，能按照水壓恒定需要將0～50Hz的頻率信號供給水泵電機圾亏，調整其轉速十拣。ACS變頻器功能強大，預置了多種應用宏志鹃，即預先編置好的參數(shù)集夭问，應用宏將使用過程中所需設定的參數(shù)數(shù)量減小到最小，參數(shù)的缺省值依應用宏的選擇而不同曹铃。系統(tǒng)采用PID控制的應用宏缰趋，進行閉環(huán)控制。該宏提供了6個輸入信號：啟動/停止(DI1陕见、DI5)桶辉、模擬量給定(AI1)、實際值(AI2)指晾、控制方式選擇(DI2)杠尘、恒速(DI3)、允許運行(DI4)理斜；3個輸出信號：模擬輸出(頻率)酗裕、繼電器輸出1(故障)、繼電器輸出2(運行)伐薯；DIP開關選擇輸入0～10V電壓值或0～20mA電流值(系統(tǒng)采用電流值)弥禀。變頻器根據(jù)給定值AI1和實際值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诡岂，利用PID控制宏自動調節(jié)骏芍，改變頻率輸出值來調節(jié)所控制的水泵電機轉速，以保證管網壓力恒定要求登鄙。

        根據(jù)泵站供水實際情況與需求既憔，利用一臺變頻器控制3臺水泵，因此除改變水泵電機轉速外政模，還要通過增減運行泵的臺數(shù)來維持水壓恒定岗宣，當運行泵滿工頻抽水仍達不到恒壓要求時蚂会，要投入下一臺泵運行。反之耗式，當變頻器輸出頻率降至最小胁住，壓力仍過高時，要切除一臺運行泵刊咳。所以不僅需要開關量控制彪见，還需數(shù)據(jù)處理能力，采用FX－4AD(4模擬量入)獲得模擬量信號娱挨。它在應用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣余指，隨時將模擬量轉換為數(shù)字量，放在數(shù)據(jù)寄存器中跷坝，由數(shù)據(jù)處理指令調用酵镜，并將計算結果隨時放在指定的數(shù)據(jù)接觸器中。通過其可將壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號轉換為數(shù)字量柴钻，提供給PLC[1>淮韭，與恒壓對應電流值、頻率上限淫蜕、頻率下限(考慮到水泵電機在低速運行時危險恐氓，必須保證其頻率不低于20Hz，因此頻率上限設為工頻50Hz肩检，下限設為20Hz)進行比較叛剩，實現(xiàn)泵的切換與轉速的變化。

        系統(tǒng)在設計時應使水泵在變頻器和工頻電網之間的切換過程盡可能快泉疆，以保證供水的連續(xù)性派料，水壓波動盡可能小，從而提高供水質量匀枪。但元件動作過程太快汞坚，會有回流損壞變頻器。為了防止故障的發(fā)生凿栅，硬件上必須設置閉鎖保護梦立，即1Q與4Q，2Q與5Q涝露，3Q與6Q不能同時閉合港遇。

2 系統(tǒng)軟件設計

        控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺泵進行控制的程序。它對3臺泵的控制参咙，主要解決系統(tǒng)的手動及自動切換龄广、各元件和參數(shù)的初始化、信號及通訊數(shù)據(jù)的預處理蕴侧、3臺泵的啟動择同、切換及停止的條件两入、順序、過程等問題敲才。

        當變頻器輸出頻率達到頻率上限裹纳，供水壓力未達到預設值時，發(fā)出加泵信號紧武，投入下1臺泵供水剃氧。當供水壓力達到預設值，變頻器輸出頻率降到頻率下限時阻星，發(fā)出減泵信號朋鞍，切除在工頻運行方式中的1臺泵。系統(tǒng)剛啟動時妥箕，情況簡單滥酥，首先啟動一號泵即可。但考慮3臺泵聯(lián)合運行時情況復雜飘缨，任1臺或2臺泵可能正在工頻自動方式下運行吗修，而其他泵則可能在變頻器控制下運行，因此必須預先設定增減水泵的順序很洽。即獲得加泵信號后，按照1號泵耙侵、2號泵川痛、3號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得減泵信號后宝庵，按照3號泵都炮、2號泵、1號泵的順序優(yōu)先考慮植碳。

        為了防止故障的發(fā)生听谓，軟件上也必須設置保護程序，保證1Q與4Q雳唧、2Q與5Q血庐、3Q與6Q不能同時閉合。在加減泵時必須設置元件動作順序及延時锐朴，防止誤動作發(fā)生兴喂。系統(tǒng)切換泵流程見圖3。

        考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對運行狀態(tài)的影響焚志，在設計中采用硬件衣迷、軟件上的雙重濾波來消除干擾的影響。硬件上變頻器提供了濾波時間常數(shù)酱酬，當模擬輸入信號變化時壶谒，63％的變化發(fā)生在所定義的時間常數(shù)中云矫；軟件上采用數(shù)字濾波的方式，系統(tǒng)采用平均值的方法[2>汗菜。

        計算最近10次采樣的平均值泼差，其計算公式如下：

3 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)群呵俏，初始情況下堆缘，只有所謂的基本參數(shù)可以看到。只需設定簡單的幾個參數(shù)普碎，變頻器就可以工作怒忧。

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

        完整參數(shù)的設定主要是PID參數(shù)的整定村围，它是按照工藝對控制性能的要求，決定調節(jié)器的參數(shù)Kp段鲜，TI缅煎，TD×始牛控制表達式為：

        變頻器根據(jù)偏差調節(jié)PID的參數(shù)督注，當運行參數(shù)遠離目標參數(shù)時，調節(jié)幅度加快捡路，隨著偏差的逐步接近芬吸，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時悍蔫，系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡奶膘，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)[3、4>盯桦。

4 試驗結果

        由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能慈俯，可以對系統(tǒng)工作情況進行監(jiān)測∮德停考慮到管網覆蓋面積大贴膘，泵站海拔高度相對低，遠端供水壓力需維持3kg事镣，因此泵站出水口壓力必須維持5kg步鉴。試驗條件為管網初始無壓力，電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動系統(tǒng)璃哟。獲得的數(shù)據(jù)經MATLAB進行插值擬合可得系統(tǒng)在不同條件下跟蹤壓力變化的曲線[5>氛琢。

        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，響應速度特別慢阳似、誤差大骚勘、振蕩嚴重，見圖5撮奏。在未進行濾波而引入數(shù)字PID控制時俏讹，響應速度明顯加快，但振蕩問題未能得到解決珠校，這是由于喘振現(xiàn)象的存在幸园；當管道壓力與設定值近似相當時，水錘效應影響明顯络蟋，壓力波動異常谐绽，PID的參數(shù)跟蹤整定，形成惡性循環(huán)络跷，管道中空氣的存在也會導致振蕩問題绑僵。

        該系統(tǒng)是按照工業(yè)生產需求設計的，實現(xiàn)了預定的一系列功能俺阻，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全性池致，在長時間運行中取得了良好的效果。只需作相應修改就可推廣到相關供水系統(tǒng)中督靶。

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