摘要：
 
　　根據(jù)工業(yè)恒壓供水的要求吻唐，采用PLC與變頻調(diào)速技術(shù)對供水泵組進行控制兆送，并在控制系統(tǒng)中引進了軟硬件雙重濾波技術(shù)和數(shù)字PID在線控制技術(shù)璧酣。介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成具雹、軟件設(shè)計、工作原理扑诈、運行方式衔系、參數(shù)整定等。長時間的運行表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很好很刃。

　　0 引言

　　供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)砾褂。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多馍资，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定筒主，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機無極調(diào)速技術(shù)鸟蟹，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域乌妙，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要建钥，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求藤韵，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)先進熊经、水壓恒定荠察、操作方便、運行可靠奈搜、節(jié)約電能悉盆、自動化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：(1)維持水壓恒定馋吗；(2)控制系統(tǒng)可手動/自動運行焕盟；(3)多臺泵自動切換運行；(4)系統(tǒng)睡眠與喚醒福咙。當外界停止用水時铣飘，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，直至有用水需求時自動喚醒秋孕；(5)在線調(diào)整PID參數(shù)卤酬；(6)泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等绞胡。
      
　　將管網(wǎng)的實際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進行比較枕娱，當管網(wǎng)壓力不足時，變頻器增大輸出頻率覆逊，水泵轉(zhuǎn)速加快叶素，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升波媒。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢屹请，供水量減小，管網(wǎng)壓力下降腮鹦，保持恒壓供水癣臭。

　　1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　系統(tǒng)采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置拍嵌，實現(xiàn)所需功能遭赂。

　　安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器告抄，用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號嵌牺，提供給PLC與變頻器打洼。

　　變頻器是水泵電機的控制設(shè)備，能按照水壓恒定需要將0～50Hz的頻率信號供給水泵電機逆粹，調(diào)整其轉(zhuǎn)速募疮。ACS變頻器功能強大，預(yù)置了多種應(yīng)用宏僻弹，即預(yù)先編置好的參數(shù)集阿浓，應(yīng)用宏將使用過程中所需設(shè)定的參數(shù)數(shù)量減小到最小，參數(shù)的缺省值依應(yīng)用宏的選擇而不同蹋绽。系統(tǒng)采用PID控制的應(yīng)用宏芭毙，進行閉環(huán)控制。該宏提供了6個輸入信號：啟動/停止(DI1卸耘、DI5)魁跷、模擬量給定(AI1)、實際值(AI2)笙铸、控制方式選擇(DI2)洗念、恒速(DI3)、允許運行(DI4)奖踏；3個輸出信號：模擬輸出(頻率)提蕴、繼電器輸出1(故障)、繼電器輸出2(運行)橱泻；DIP開關(guān)選擇輸入0～10V電壓值或0～20mA電流值(系統(tǒng)采用電流值)灼镣。變頻器根據(jù)給定值A(chǔ)I1和實際值A(chǔ)I2，即根據(jù)恒壓時對應(yīng)的電壓設(shè)定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號抢坯，利用PID控制宏自動調(diào)節(jié)丐浑，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)壓力恒定要求象掖。
      
　　根據(jù)泵站供水實際情況與需求丽优，利用一臺變頻器控制3臺水泵，因此除改變水泵電機轉(zhuǎn)速外腾蔼，還要通過增減運行泵的臺數(shù)來維持水壓恒定，當運行泵滿工頻抽水仍達不到恒壓要求時晌该，要投入下一臺泵運行肥荔。反之，當變頻器輸出頻率降至最小朝群，壓力仍過高時燕耿，要切除一臺運行泵中符。所以不僅需要開關(guān)量控制，還需數(shù)據(jù)處理能力誉帅，采用FX－4AD(4模擬量入)獲得模擬量信號淀散。它在應(yīng)用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣，隨時將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量蚜锨，放在數(shù)據(jù)寄存器中档插，由數(shù)據(jù)處理指令調(diào)用，并將計算結(jié)果隨時放在指定的數(shù)據(jù)接觸器中亚再。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(zhuǎn)換為數(shù)字量郭膛，提供給PLC[1>，與恒壓對應(yīng)電流值氛悬、頻率上限盏酵、頻率下限(考慮到水泵電機在低速運行時危險，必須保證其頻率不低于20Hz勃撼，因此頻率上限設(shè)為工50Hz蚊霞，下限設(shè)為20Hz)進行比較，實現(xiàn)泵的切換與轉(zhuǎn)速的變化鳞集。

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　　系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)使水泵在變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換過程盡可能快痢腋，以保證供水的連續(xù)性，水壓波動盡可能小铜氛，從而提高供水質(zhì)量二场。但元件動作過程太快，會有回流損壞變頻器蟀委。為了防止故障的發(fā)生缤棍，硬件上必須設(shè)置閉鎖保護，即1Q與4Q猜艇，2Q與5Q衅快，3Q與6Q不能同時閉合。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)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跳昼。它對3臺泵的控制般甲，主要解決系統(tǒng)的手動及自動切換、各元件和參數(shù)的初始化鹅颊、信號及通訊數(shù)據(jù)的預(yù)處理敷存、3臺泵的啟動、切換及停止的條件堪伍、順序锚烦、過程等問題。
     
　　當變頻器輸出頻率達到頻率上限帝雇，供水壓力未達到預(yù)設(shè)值時涮俄，發(fā)出加泵信號蛉拙，投入下1臺泵供水。當供水壓力達到預(yù)設(shè)值彻亲，變頻器輸出頻率降到頻率下限時孕锄，發(fā)出減泵信號，切除在工頻運行方式中的1臺泵苞尝。系統(tǒng)剛啟動時畸肆，情況簡單，首先啟動一號泵即可宜切。但考慮3臺泵聯(lián)合運行時情況復(fù)雜察贵，任1臺或2臺泵可能正在工頻自動方式下運行，而其他泵則可能在變頻器控制下運行孤咏，因此必須預(yù)先設(shè)定增減水泵的順序旋喊。即獲得加泵信號后，按照1號泵山刨、2號泵哲陷、3號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得減泵信號后随港，按照3號泵墙议、2號泵、1號泵的順序優(yōu)先考慮溃登。
       
　　為了防止故障的發(fā)生久挖，軟件上也必須設(shè)置保護程序，保證1Q與4Q犬捧、2Q與5Q歹对、3Q與6Q不能同時閉合。在加減泵時必須設(shè)置元件動作順序及延時强重，防止誤動作發(fā)生绞呈。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)的影響间景，在設(shè)計中采用硬件佃声、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)倘要，當模擬輸入信號變化時圾亏，63％的變化發(fā)生在所定義的時間常數(shù)中；軟件上采用數(shù)字濾波的方式碗誉，系統(tǒng)采用平均值的方法[2>召嘶。

　　計算最近10次采樣的平均值，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)哮缺。變頻器有一數(shù)量很大的參數(shù)群弄跌，初始情況下，只有所謂的基本參數(shù)可以看到尝苇。只需設(shè)定簡單的幾個參數(shù)铛只，變頻器就可以工作。

　　除基本參數(shù)外芝杏，還必須對完整參數(shù)進行設(shè)定尸校。

　　完整參數(shù)的設(shè)定主要是PID參數(shù)的整定，它是按照工藝對控制性能的要求债鼎，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp替程，TI，TD蚂旁∷撼拢控制表達式為：

　　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)時粤搂，調(diào)節(jié)幅度加快生凯，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小辜色，近似相等時啥葡，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)[3潜呻、4>政模。

　　4 試驗結(jié)果

　　由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能，可以對系統(tǒng)工作情況進行監(jiān)測蚂会×苎考慮到管網(wǎng)覆蓋面積大，泵站海拔高度相對低颂龙，遠端供水壓力需維持3kg习蓬，因此泵站出水口壓力必須維持5kg。試驗條件為管網(wǎng)初始無壓力措嵌，電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動系統(tǒng)躲叼。獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)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>。
      
　　試驗記錄的數(shù)據(jù)顯示企巢，系統(tǒng)在未進行濾波和PID控制時枫慷，響應(yīng)速度特別慢、誤差大浪规、振蕩嚴重或听，見圖5。在未進行濾波而引入數(shù)字PID控制時，響應(yīng)速度明顯加快誉裆，但振蕩問題未能得到解決迈堂，這是由于喘振現(xiàn)象的存在；當管道壓力與設(shè)定值近似相當時捶卧，水錘效應(yīng)影響明顯耀佣，壓力波動異常，PID的參數(shù)跟蹤整定疲飘，形成惡性循環(huán)钳雄，管道中空氣的存在也會導(dǎo)致振蕩問題。
     
　　該系統(tǒng)是按照工業(yè)生產(chǎn)需求設(shè)計的婴悠，實現(xiàn)了預(yù)定的一系列功能匀枪，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全性，在長時間運行中取得了良好的效果罐闰。只需作相應(yīng)修改就可推廣到相關(guān)供水系統(tǒng)中凿栅。

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