1.引言

隨著社會經濟的飛速發展，城市建設規模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數量、質量、穩定性提出了越來越高的要求。傳統供水方式占地面積大，水質易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。為了保證供水，機組通常處于超壓狀態運行，不但效率低、耗電量大。變頻調速技術是一種新型的成熟的交流電機無極調速技術，它以其獨特優良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業中。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，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術先進，水壓恒定，操作方便，運行可靠，節約電能，自動化程度高。在變頻調速恒壓供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的。分析水泵工況的能耗比較圖，可以看出利用變頻調速實現恒壓供水，當轉速降低時，流量與轉速成正比，功率以轉速的三次方下降，與傳統供水方式中用閥門節流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節能。

在泵站供水中可完成以下功能：

（1）維持水壓恒定；

（2）控制系統可手動－自動運行；

 （3）多臺泵自動切換運行；

（4）系統睡眠與喚醒。當外界停止用水時，系統處于睡眠狀態，直至有用水需求時自動喚醒；

（5）在線調整PID參數；

（6）泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等。

其工作原理如圖1所示

圖1  恒壓供水系統的工作原理圖

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

2. 系統硬件

系統采用3臺水泵并聯運行方式，安裝在管網的干線上壓力傳感器，用于檢測管網的水壓，將壓力轉化為4～20mA的電流信號，提供給PLC與變頻器，經過模擬量輸入模塊，輸入到PLC中，PLC跟根據給頂的壓力設定值與實際的檢測值進行PID運算，輸出控制信號經過模擬量輸出模塊至變頻器，調節水泵電機的供電電壓和頻率。變頻器是水泵電機的控制設備，能按照水壓恒定需要將0～50HZ的頻率信號供給水泵電機，調整其轉速。本系統采用PID控制的應用宏，進行閉環控制。該宏提供了6個輸入信號：起動/停止（DI1、DI5）、模擬量給定（AI1）、實際值（AI2）、控制方式選擇（DI2）、恒速（DI3）、允許運行（DI4）；3個輸出信號：模擬輸出（頻率）、繼電器輸出1（故障）、繼電器輸出2（運行）；DIP開關選擇輸入0～10V電壓值或0～20mA電流值（本系統采用電流值）。變頻器根據（設定的）給定值AI1和（反饋的）實際值AI2，即根據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，利用PID控制宏自動調節，改變頻率輸出值來調節所控制的水泵電機轉速，以保證管網壓力恒定要求。

當水壓需求不大時，一臺泵在變頻器的控制下穩定運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證需要的壓力時，PLC給定的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，并同時將下一臺備用泵用變頻器啟動后投入運行，以加大網管的供水量保證壓力穩定。若2臺泵運轉仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態下的泵投入到工頻運行，再將第3臺水泵投入到變頻運行。當用水量減小時，首先表現為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現，PLC首先將最先工頻運行的水泵停掉，以減小供水量。當上述2個信號仍存在的時候，PLC再停掉第2臺工頻運行的水泵，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。

 所有水泵電機從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊，相對延長了電機的使用壽命。同時，系統供水采用變頻泵循環方式，以“先開先關”的順序關泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統有備用泵，又保證系統泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發生銹死現象，提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。

本系統采用壓力傳感器，可編程控制器PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現所需功能。圖2為3臺泵恒壓供水系統的結構圖。

圖2   恒壓供水系統的結構圖

系統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，以保證供水的連續性，水壓波動盡可能小，從而提高供水質量。但元件動作過程太快，會有回流損壞變頻器。為了防止故障的發生，硬件上必須設置閉鎖保護，即1Q與4Q，2Q與5Q，3Q與6Q不能同時閉合。

3. 系統軟件

為了方便調試和編程，系統控制器采用模塊化編程，主要由手動運行模塊、自動運行模塊和故障診斷與報警模塊組成。

（1）運行模塊

當系統處于手動運行時，PLC只接收各電路保護信號和各傳感器信號，并由此來判斷各工作水泵的運行狀態，在出現故障的情況下，輸出報警信號。水泵的起、停和切換由人工通過面板上的按鈕和開關來實現。

（2）自動運行模塊

自動運行模塊包括系統的初始化、開機命令的檢測、數據采集子程序、控制量運算子程序、置初值子程序、電機控制子程序等。其中:數據采集子程序完成對主水管壓力的數據采集。

圖3  系統運行流程

4. 系統參數的確定

系統變頻運行主要靠變頻器來實現。變頻器有一數量很大的參數群，初始情況下，只有所謂的基本參數（小菜單）可以看到。只需設定簡單的幾個參數，變頻器就可以工作。這是因為已編好的應用宏PID宏幾乎能完成所有的應用需求，但仍需設定一些重要參數。

表1  主要基本參數的設定

除基本參數外，還必須對完整參數（大菜單）進行設定。
                                    


                                              圖4  系統運算程序

變頻器根據偏差調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統達到一個動態平衡，維持系統的恒壓穩定狀態。

5. 試驗結果

試驗記錄的數據顯示，系統在未進行濾波和PID控制時，響應速度特別慢，誤差大，振蕩嚴重。在未進行濾波而引入數字PID控制時，響應速度明顯加快，但振蕩問題未能得到解決，這是由于喘振現象的存在，當管道壓力與設定值近似相當時，水錘效應影響明顯，壓力波動異常，PID的參數跟蹤整定，形成惡性循環，管道中空氣的存在也會導致振蕩問題。引入濾波與數字PID控制后，系統控制品質明顯好轉，響應速度快，克服了振蕩問題。

本系統是按照工業生產需求設計的，實現了預定的一系列功能，保證了系統的穩定性和安全性，在長時間運行中取得了良好的效果。


參考文獻

[1] 鐘肇新。可編程控制器原理和應用[M]。華南理工大學出版社。1993。

[2] 張建奇。數字PID變頻調速在PLC恒壓供水中的應用[M]。微計算機信息。2002。

[3] 任成玉。計算機控制技術與系統[G]。水利電力出版社。1985。

[4] 何克忠。計算機控制系統分析與設計[M]。清華大學出版社。1988。