辰光 發表於 2016-09-22 15:51:30
1 前言
日常的生活用水量隨季節、晝夜、上下班時間的不同而有較大變化，因而經常出現水壓的劇烈波動。利用PLC、變頻調速裝置和壓力傳感器組成閉環控制系統來控制水泵的轉速，不但能保證系統管網的恆壓，減少供水欠壓和過壓不合理現象,而且設備和系統運行平穩可靠,節能顯著。
2 恆壓供水原理
來自市政管網水源或地下水源進入蓄水池後,由變頻器控制的水泵將水直接加壓送入供水管網直至各個用水點。根據供水管網流量、壓力變化自動控制變頻器輸出頻率,調節電動機和水泵的轉速,實現恆壓供水。壓力變化通過壓力檢測(壓力傳感器)將數據傳送給運算處理系統，系統發出水泵加速或減速指令，使之滿足壓力要求，如圖1所示。一臺泵全速運行不能滿足壓力要求時，自動投入第2號、第3號水泵;反之逐一停下第2號、第3號水泵。總之，讓管網達到恆壓的目的。
圖1 恆壓供水原理圖
3 系統電路設計
系統主要由一臺西門子S7-200可編程控制 器、一臺惠豐F1500-G變頻器、壓力傳感器、接觸器、自動開關、熱繼電器、3臺水泵等構成。系統主迴路採用一拖多方式,如圖2所示，合上空氣開關後，當交流接觸器Q0.0、Q0.1、Q0.2閉合時，水泵為變頻運行;當交流接觸器Q0.3、Q0.4、Q0.5閉合時,水泵為工頻運行。3個熱繼電器KH1、KH2、KH3對三臺電機進行保護,避免電機過載時過熱燒毀。
圖2 系統主迴路圖
4 PLC控制程序設計
PLC和變頻器是本系統的核心部分,系統穩 定運行的關鍵取決於PLC程序的合理性和可行性以及變頻器參數的設定。
4.1 PLC程序流程
本系統採用手動和自動兩種工作方式，手動運行方式主要為檢修和故障時使用，可根據需要，通過開關按鈕控制三個泵工頻運行;自動運行方式為系統日常運行方式，合上自動開關，系統啟動時，單泵變頻運行。根據壓力傳感器反饋的信號，通過PID運算處理，變頻器發出變頻信號，當變頻泵運行頻率達到設定的上限頻率,該泵轉為工頻運行同時增加一臺水泵變頻運行;當變頻泵運行頻率達到設定的下限頻率,減少一臺工頻泵運行。
圖3 程序流程圖
同時，通過泵號管理子程序，當系統自動運行一天時，泵號自動切換，每臺水泵工作情況基本相同，可使系統免維護。程序流程如圖3所示。
4.2 PLC程序設計
本系統PLC控制程序由主程序和6個子程序組成，程序設計採用梯形圖設計方法，直觀並便於調試和維護。由於供水系統是一個較大但無法突變的系統，設計上採取查詢方式為主，中斷方式為輔，採用模糊PID參數控制。PLC輸入輸出地址如表1所示、程序地址分配如表2所示，實現主程序如圖4。
4.3 變頻器參數設定
變頻器變頻運行，水泵轉速過低時，水泵全揚程小於實際揚程，容易形成「空轉」現象，所以變頻下限設為20Hz;水泵高速運行達額定功率(50Hz)時，變頻器V/F補償功能，往往使水泵實際轉速略高於工頻運行轉速，考慮到實際情況將變頻上限設定為49Hz。
另外，變頻器自帶欠壓保護、過載保護等功能，當水泵出現故障時可及發出警告，便於維護。
4.4 PID模糊控制
模糊控制技術是克服了經典控制理論依靠系統數字模型的缺點，是一種基於語言規則和模糊推理的高級控制策略。本系統利用西門子S7-200擴展模擬量處理混合模塊EM235完成對水壓信號的採集和對變頻器的控制，PLC接收管網中的壓力值，與給定值進行比較，計算偏差e及偏差變化Δe值，乘以相應的量化因子，取整後變換成模糊變量E和ΔE。得到控制量增量Δu然後乘以比例因子，變為實際控制量論域值Δu(k)，從而計算出總的控制量 u(k)=u(k-1)+Δu(k)。該值送入PLC的輸出寄存器，經處理後變為0∽5V的電壓信號送給變頻器，改變電機轉速達到控制水壓的目的。
圖4 恆壓供水系統主程序
4.5 試驗情況
本系統於2008年7月11日至24日進行了2周的實地測試，第一周系統採用手動運行方式，手動調節控制水泵投入使用;第2周採用自動運行方式，變頻調速方式控制水泵投入使用。測得數據表明本系統節能效果明顯，如表3。
4 結語
由西門子S7-200系列PLC、惠豐F1500-G變頻器和壓力傳感器等組成的恆壓供水系統，充分發揮了PLC內置的PID運算模塊，自動調節變頻器輸出頻率、投入使用泵數，達到恆壓供水的目的;通過泵號管理程序，實現泵號自動切換，使每臺水泵工作狀況基本相同，提高設備利用率並減少維修費用;同時通過變頻器自帶保護功能可輕鬆實現系統故障診斷。實際運行情況證明了本系統具有可靠性高、自動化程度高、便於維護和高節能性等特點，具有很大的應用價值。
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