供水系統(tǒng)是國(guó)民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)精克。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)備不能正常工作昼反。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(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)用硅魁。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)塔奋、水壓恒定、操作方便、運(yùn)行可靠醇帅、節(jié)約電能醒囊、自動(dòng)化程度高,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)行隐听；(3)多臺(tái)泵自動(dòng)切換運(yùn)行通熄；(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)喚醒找都；(5)在線調(diào)整PID參數(shù)唇辨； (6)泵組及線路保護(hù)檢測(cè)報(bào)警,信號(hào)顯示等。

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)壓力上升能耻。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢,供水量減小,管網(wǎng)壓力下降,保持恒壓供水赏枚。

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,實(shí)現(xiàn)所需功能晓猛。

安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器,用于檢測(cè)管網(wǎng)的水壓,將壓力轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號(hào),提供給PLC與變頻器饿幅。

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0～50 Hz的頻率信號(hào)供給水泵電機(jī),調(diào)整其轉(zhuǎn)速。ACS變頻器功能強(qiáng)大,預(yù)置了多種應(yīng)用宏,即預(yù)先編置好的參數(shù)集,應(yīng)用宏將使用過(guò)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)用宏的選擇而不同鞍帝。系統(tǒng)采用PID控制的應(yīng)用宏,進(jìn)行閉環(huán)控制诫睬。該宏提供了6個(gè)輸入信號(hào):啟動(dòng)/停止(DI1、DI5)帕涌、模擬量給定(AI1)摄凡、實(shí)際值(AI2)、控制方式選擇(DI2)蚓曼、恒速(DI3)蘑慕、允許運(yùn)行(DI4)；3個(gè)輸出信號(hào):模擬輸出(頻率)价烘、繼電器輸出1(故障)蕊欣、繼電器輸出2(運(yùn)行)；DIP開關(guān)選擇輸入0～10 V電壓值或0～20 mA電流值(系統(tǒng)采用電流值)稻漏。變頻器根據(jù)給定值A(chǔ)I1和實(shí)際值A(chǔ)I2,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)壓力恒定要求愈秕。

根據(jù)泵站供水實(shí)際情況與需求,利用一臺(tái)變頻器控制3臺(tái)水泵,因此除改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速外,還要通過(guò)增減運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)來(lái)維持水壓恒定,當(dāng)運(yùn)行泵滿工頻抽水仍達(dá)不到恒壓要求時(shí),要投入下一臺(tái)泵運(yùn)行。反之,當(dāng)變頻器輸出頻率降至最小,壓力仍過(guò)高時(shí),要切除一臺(tái)運(yùn)行泵俗运。所以不僅需要開關(guān)量控制,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(hào)言盼。它在應(yīng)用上的一個(gè)重要特征就是由PLC自動(dòng)采樣,隨時(shí)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,放在數(shù)據(jù)寄存器中,由數(shù)據(jù)處理指令調(diào)用,并將計(jì)算結(jié)果隨時(shí)放在指定的數(shù)據(jù)接觸器中。通過(guò)其可將壓力傳感器電流信號(hào)和變頻器輸出頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,提供給PLC,與恒壓對(duì)應(yīng)電流值帜贝、頻率上限筐成、頻率下限(考慮到水泵電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)危險(xiǎn),必須保證其頻率不低于 20Hz,因此頻率上限設(shè)為工頻50Hz,下限設(shè)為20Hz)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)泵的切換與轉(zhuǎn)速的變化。

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)量示谐。但元件動(dòng)作過(guò)程太快,會(huì)有回流損壞變頻器谣皇。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)閉合势送。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語(yǔ)言編制的對(duì)3臺(tái)泵進(jìn)行控制的程序。它對(duì)3臺(tái)泵的控制,主要解決 系統(tǒng)的手動(dòng)及自動(dòng)切換朴沿、各元件和參數(shù)的初始化猜谚、信號(hào)及通訊數(shù)據(jù)的預(yù)處理、3臺(tái)泵的啟動(dòng)悯仙、切換及停止的條件龄毡、順序、過(guò)程等問(wèn)題锡垄。

當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到頻率上限,供水壓力未達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),發(fā)出加泵信號(hào),投入下1臺(tái)泵供水沦零。當(dāng)供水壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值,變頻器輸出頻率降到頻率下限時(shí),發(fā)出減泵信號(hào),切除在工頻運(yùn)行方式中的1臺(tái)泵。系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí),情況簡(jiǎn)單,首先啟動(dòng)一號(hào)泵即可货岭。但考慮3 臺(tái)泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)情況復(fù)雜,任1臺(tái)或2臺(tái)泵可能正在工頻自動(dòng)方式下運(yùn)行,而其他泵則可能在變頻器控制下運(yùn)行,因此必須預(yù)先設(shè)定增減水泵的順序路操。即獲得加泵信號(hào)后,按照1號(hào)泵、2號(hào)泵千贯、3號(hào)泵的順序優(yōu)先考慮屯仗。獲得減泵信號(hào)后,按照3號(hào)泵、2號(hào)泵搔谴、1號(hào)泵的順序優(yōu)先考慮魁袜。

為了防止故障的發(fā)生,軟件上也必須設(shè)置保護(hù)程序,保證1Q與4Q、2Q與5Q逸渤、3Q與6Q不能同時(shí)閉合筛毡。在加減泵時(shí)必須設(shè)置元件動(dòng)作順序及延時(shí),防止誤動(dòng)作發(fā)生。

考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的影響,在設(shè)計(jì)中采用硬件骂间、軟件上的雙重濾波來(lái)消除干擾的影響敢铲。硬件上變頻器提供了濾波時(shí)間常數(shù),當(dāng)模擬輸入信號(hào)變化時(shí),63%的變化發(fā)生在所定義的時(shí)間常數(shù)中；軟件上采用數(shù)字濾波的方式,系統(tǒng)采用平均值的方法伞买。

3.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)垮软。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)可以看到。只需設(shè)定簡(jiǎn)單的幾個(gè)參數(shù),變頻器就可以工作肯坊。

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

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(duì)控制性能的要求,決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp,TI,TD。

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)诉拔。

4.試驗(yàn)結(jié)果

由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能,可以對(duì)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)贤方。考慮到管網(wǎng)覆蓋面積大,泵站海拔高度相對(duì)低,遠(yuǎn)端供水壓力需維持3kg,因此泵站出水口壓力必須維持5kg谅褪。試驗(yàn)條件為管網(wǎng)初始無(wú)壓力,電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動(dòng)系統(tǒng)。獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB進(jìn)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吴攒。

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)速度特別慢张抄、誤差大砂蔽、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)象的存在署惯；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)題左驾。

該系統(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)定和安全性,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中取得了良好的效果。只需作相應(yīng)修改就可推廣到相關(guān)供水系統(tǒng)中极谊。

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