基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱雪凌，張 娟，許智勇，平 增

（1．華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450045;2．河南省新鄭市供電公司，河南新鄭 451100）

隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，高層建筑不斷增多，由于居民用水量的不穩(wěn)定性，經(jīng)常導(dǎo)致用水高峰期水壓較低，供水量低于需求量，特別是高層用戶經(jīng)常出現(xiàn)水壓太低而無(wú)法正常用水的狀況．傳統(tǒng)的解決辦法是采用高位水箱、水塔和各種氣壓罐進(jìn)行蓄水加壓，依賴擋板和閥門的阻力調(diào)節(jié)水流量．然而，這些辦法或自動(dòng)化程度低，能量損耗大，壓力變化大，或因?yàn)榫S護(hù)工作量大，水質(zhì)容易受N次污染［1］．隨著人們生活質(zhì)量的提高，以及對(duì)高效節(jié)能和設(shè)備使用壽命的要求的提高，這些方式都將逐漸被淘汰．因此，開發(fā)全自動(dòng)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視和青睞．筆者針對(duì)高層樓宇供水問(wèn)題，提出了采用PLC作為中心控制單元，與變頻器、水泵電機(jī)及控制電路相結(jié)合來(lái)構(gòu)成閉環(huán)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)快速調(diào)整供水量，使系統(tǒng)具有節(jié)能、工作可靠、自動(dòng)控制程度高、經(jīng)濟(jì)易配置等優(yōu)點(diǎn)，可在生產(chǎn)、生活中得到廣泛應(yīng)用［2］．

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析與方案設(shè)計(jì)

1．1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析

目前，水泵電機(jī)通常由三相交流異步電動(dòng)機(jī)來(lái)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;M為輸出轉(zhuǎn)矩;P為輸出功率．

由式（1）可知：水泵具有平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，當(dāng)用水量減少時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速的微量減小，將使輸出功率大幅下降［4］．

1．2 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)居民的實(shí)際用水情況，設(shè)計(jì)合理可靠的供水系統(tǒng)，使其在滿足用戶正常用水的同時(shí)，確保供水設(shè)施的安全運(yùn)行．本設(shè)計(jì)從控制要求入手，分析系統(tǒng)的工作原理，選取相應(yīng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)相應(yīng)控制策略和控制流程，最后對(duì)其進(jìn)行PLC的控制設(shè)計(jì)．

PLC的控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證居民小區(qū)生活用水的可靠性．根據(jù)居民樓用水的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，1 d之中用水量會(huì)有若干個(gè)高峰期或低谷期，變頻驅(qū)動(dòng)，對(duì)水泵的調(diào)速通過(guò)對(duì)其電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)［3］．而電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)主要通過(guò)變頻調(diào)速裝置同時(shí)改變電壓和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)．

變頻調(diào)速系統(tǒng)通常是使用變頻器拖動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)獲得更高性能．在分析水泵的負(fù)載特性時(shí)，常采用下列的一組公式：器則根據(jù)出水口的壓力調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速與投切．系統(tǒng)的硬件部分主要包括變頻器、壓力傳感器、PLC、電氣控制柜、水泵機(jī)組和低壓電器等．

2 基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理

將壓力傳感器提供的管網(wǎng)壓力信號(hào)，傳送給變頻器，根據(jù)傳感器的采樣值與變頻器的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)內(nèi)置的PID功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果作為變頻器頻率的給定輸入，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，保持供水管道的壓力恒定．在用水高峰期，居民用水量增加，管網(wǎng)壓力隨之下降，此時(shí)壓力的變化通過(guò)PID運(yùn)算后，最終應(yīng)使變頻器輸出頻率增加，使水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速增加或增加投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)，以此來(lái)增加管網(wǎng)壓力，保證供水能力．當(dāng)用水量較少時(shí)，管網(wǎng)壓力將增加，壓力的變化通過(guò)PID運(yùn)算后使變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降或減少運(yùn)行的水泵數(shù)量，以此來(lái)減小管網(wǎng)壓力，保持恒壓供水．圖1為恒壓供水系統(tǒng)自動(dòng)控制原理圖．

圖1 恒壓供水系統(tǒng)自動(dòng)控制原理圖

2．1 控制策略

該控制系統(tǒng)的基本控制策略是，利用PLC作為主控制器來(lái)控制變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，以此達(dá)到恒壓供水的目的，從而滿足居民的正常用水需求．系統(tǒng)采用3臺(tái)功率為33 kW的主電機(jī)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)工作在工、變頻運(yùn)行方式下，從而驅(qū)動(dòng)水泵提供用水，在工作過(guò)程中要求2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用．在實(shí)際控制中，避免備用電機(jī)長(zhǎng)期不用而銹蝕，所以要定期更換備用電機(jī)，對(duì)主電機(jī)進(jìn)行分組控制．圖2為變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖．

圖2 系統(tǒng)主電路圖

2．2 供水工況劃分

由規(guī)模相近小區(qū)的歷史數(shù)據(jù)可知，某小區(qū)最大用水量已達(dá)到265 m3/h，夏秋兩季的用水量可能會(huì)超過(guò)300 m3/h［5］．根據(jù)近幾年來(lái)的用水量情況及操作經(jīng)驗(yàn)，該小區(qū)的供水工況劃分情況見表1．

表1 某小區(qū)供水工況劃分結(jié)果

用水量很大的情況出現(xiàn)在夏秋兩季，其他4種情況在4個(gè)季節(jié)都可能出現(xiàn)．

2．3 控制過(guò)程

在現(xiàn)實(shí)用水過(guò)程中，高層居民用水量是不斷變化的，所以系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化實(shí)時(shí)升降頻、加減泵，以此使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，以保證可靠用水，又節(jié)約電能．如，當(dāng)M1處于變頻運(yùn)行狀態(tài)下，居民用水量增加，變頻器升頻使M1的轉(zhuǎn)速增加來(lái)維持供水壓力穩(wěn)定．若用水量不斷增加，M1的變頻控制在最大輸出時(shí)仍不能滿足要求，則PLC邏輯投入M2，即M1工作于工頻狀態(tài)下，M2工作于變頻狀態(tài)下．若用水量仍不斷增加，M2的變頻控制在最大輸出時(shí)仍不能滿足要求，則PLC邏輯投入M3，即M2工作于工頻狀態(tài)下，M3工作于變頻狀態(tài)下．若此時(shí)用水量減少，則變頻器降頻使M3轉(zhuǎn)速降低，來(lái)降低水壓．若此時(shí)用水量仍不斷減小，當(dāng)最小輸出仍造成水壓過(guò)高時(shí)，用PLC切除M3．其他過(guò)程類似．

3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的變頻器的參數(shù)設(shè)計(jì)

3．1 PID 控制

一個(gè)好的控制過(guò)程就需要一個(gè)好的控制器［6］．對(duì)于恒壓供水系統(tǒng)，使用的是變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，通過(guò)對(duì)水壓的閉環(huán)控制來(lái)保證水壓恒定．圖3為恒壓供水的系統(tǒng)控制圖．

圖3 恒壓供水的系統(tǒng)控制圖

將式（4）離散化的差分方程為

PID輸入和輸出的關(guān)系為

為了減少計(jì)算量和節(jié)約內(nèi)存，將式（5）化為遞推關(guān)系式形式，即

此種算法可以減小誤動(dòng)作時(shí)的影響，便于無(wú)憂切換，且在故障時(shí)，能夠保持原值，算式中不需要累加，易通過(guò)加權(quán)處理獲得較好的控制效果［7］．

當(dāng)控制系統(tǒng)中被控對(duì)象得不到精確的數(shù)學(xué)模型，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制［8］．為滿足系統(tǒng)性能要求，必須對(duì)PID控制器的參數(shù)KP，KI，KD進(jìn)行整定．文中采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法對(duì)其進(jìn)行整定．選擇KP=3．45，KI=8．02，KD=1．76 作為第 1組試驗(yàn)參數(shù)，將系統(tǒng)模擬投入運(yùn)行，做閉環(huán)調(diào)試．圖4為其對(duì)應(yīng)的PID校正控制的階躍響應(yīng)曲線．

圖4 PID校正控制的階躍響應(yīng)曲線

由圖4可知，系統(tǒng)的暫態(tài)性能指標(biāo)為：Tr=1．15 s，tp=2．63 s，ts=15．1 s，其暫態(tài)性能不滿足要求．根據(jù)圖像，適當(dāng)改變參數(shù)大小，令KP=9．50．KI=8．625，KD=1．76，再做仿真．圖5 是 PID 參數(shù)改變后校正控制的階躍響應(yīng)曲線．

由圖5可知，系統(tǒng)的暫態(tài)性能指標(biāo)為：Tr=0．784 s，tp=1．92 s，ts=3．86 s，δ=18．3%，完全滿足要求，可以將其作為第1組參數(shù)投入運(yùn)行，在實(shí)際供水過(guò)程中，再根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整，直到找到相對(duì)最佳的控制效果為止．

由此可見，將PID算法應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中，不僅可大大提高系統(tǒng)的控制精度，使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)和調(diào)整更加快速穩(wěn)定，而且抗干擾性強(qiáng)，還節(jié)約成本．

圖5 PID參數(shù)改變后校正控制的階躍響應(yīng)曲線

3．2 變頻器的參數(shù)設(shè)定

正確的變頻器設(shè)置對(duì)系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要，表2列出了變頻器關(guān)鍵參數(shù)的典型設(shè)置值．

表2 變頻器參數(shù)設(shè)置情況

4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)

PLC是按程序?qū)崿F(xiàn)控制的［9］．基于西門子PLC：S7－200的硬件環(huán)境，利用 STEP 7－MICRO/WIN V3．2版編程軟件來(lái)完成編程．編譯后通過(guò)PC/PPI通信電纜把程序下到PLC，通過(guò)在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶序號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的完成的［1］．由系統(tǒng)可知，其I/O分配見表3．

表3 數(shù)字量I/O分配表

主要的控制程序有：系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)傳遞和處理程序、水泵電機(jī)切換程序、事故處理和報(bào)警程序等．下面重點(diǎn)介紹水泵電機(jī)切換程序，圖6為水泵電機(jī)投切流程圖．

圖6 電機(jī)投切流程

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某小區(qū)水泵站的供水要求，設(shè)計(jì)了基于PLC的變頻器恒壓供水系統(tǒng)：采用增量式PID算法，利用變頻調(diào)速完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì);分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)原理和節(jié)能原理;研究了變頻恒壓的控制策略;設(shè)計(jì)了變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的控制程序;保證了居民的用水質(zhì)量，且高效節(jié)能，自動(dòng)化程度高，保護(hù)功能齊全，運(yùn)行穩(wěn)定可靠．

［1］劉小春．恒壓供水系統(tǒng)控制及組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)［D］．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008．

［2］石艷．組態(tài)軟件在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)信息：測(cè)控自動(dòng)化，2008，24（19）：75 －77．

［3］魏書杰，王鳳濤，楊岑磊，等．PLC和變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．中國(guó)造船，2009，50（s11）：808 －814．

［4］王嵐．居民小區(qū)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．南京：南京理工大學(xué)，2008．

［5］梁遠(yuǎn)博，王珊珊，雷紅玲．基于專家知識(shí)的恒壓供水控制算法研究［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，15：178 －180．

［6］楊慶生．恒壓供水PID自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．考試周刊，2011，28：175．

［7］徐建明．PID控制器及其設(shè)計(jì)方法研究［D］．杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2002．

［8］白金．基于S7－200 PID指令算法的恒壓供水自動(dòng)化系統(tǒng)［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（12）：121 －123．

［9］金沙，耿驚濤．PLC應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2010．