變頻恒壓供水系統PLC控制

    本文介紹了使用Allen-Bradley公司的PLC-5處理器結合SAMISTAR變頻器，通過PID調節實現恒壓供水；為了保證恒壓供水安全可靠，設置了壓力保護功能，并進行了PID恒壓控制與遠程直接調頻之間的無縫轉換處理；在節能和供水質量方面取得了較好的效果。

    1.概述

    變頻調速技術是一種新型的、成熟的交流電機無級調速驅動技術，它以其獨特優良的控制性被廣泛應用在速度控制領域。特別是在供水行業中，由于生產安全和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調速技術也得到了更加深入的應用。

    成都市自來水公司六廠日產水量60萬噸，擔負著成都市區及周邊地區70%以上的供水任務。自1996年年底六廠的三期工程投產后開始向郫縣供水，使得我廠的供水方式從單一的重力流供水變為重力流和壓力流結合供水的方式。自向郫縣供水以來，由于考慮到現階段郫縣的用水量較少，從節約能耗的角度出發，我廠使用一臺泵同時向郫縣供水和提供我廠的自用高壓水。為了滿足六廠自用水壓力，保證廠內各個工藝環節設備（如消毒環節中的水射器）能正常工作，我廠自用水壓力須較恒定的控制在0.3Mpa以上，采用變頻調速控制是保證壓力恒定較為有效的方法。根據我們對郫縣城區供水量的了解，發現郫縣全天各時段用水量變化較大（見后圖5），如果不對供水量進行調節，管網壓力的波動也會很大，容易出現管網失壓或爆管事故。采用變頻恒壓供水控制后，當郫縣用水量較小時，這時相應管道和泵出口壓力均較大，變頻恒壓控制方式將會降低泵的頻率，減小泵出水量，從而降低管網壓力；反之亦然。這樣，小時用水量變化較大也不會造成管網壓力有較大的波動。經過長期運行實踐，證明了變頻調速手段實現恒壓供水不僅保證廠內自用高壓水壓力足夠且穩定，而且保證了郫縣供水的安全可靠性。

    2.控制系統構成

    整個恒壓供水系統有兩組變頻泵，每組均由一臺變頻器和一臺水泵組成；系統以PLC為控制核心，由PLC采集壓力信號和輸出控制變頻泵的運行?？刂葡到y構成如圖1所示。

    PLC處理器選用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器，變頻泵選用的是ABB公司的SAMISTAR系列的315F660/690型的變頻器和水泵。系統由兩只量程為0~1.0Mpa的壓力變送器分別檢測兩臺水泵后的輸水管道的壓力，壓力變送器將檢測到的壓力信號轉換為4~20mA的電流信號，送到PLC子站的模擬量輸入模板（1771-IFE），通過PLC的PID運算，由模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出4~20mA的電流控制變頻泵的運行。

    我廠采用Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器通過DH+通訊方式構建了全廠PLC工業控制網絡，通過DH+網絡上的RSView工作站實現人機對話。RSView工作站是指運行人機圖形界面軟件（RSView32）的計算機工作平臺，該工作站建在中心控制室，是實現生產現場無人值守和運行集中管理的調度中心。利用RSView32可以有效地對控制過程進行監視和控制，可以實現圖形化的人機對話界面，模擬生產運行的流程，在模擬流程上更加直觀地實現生產流程的全自動運行監視、遠程人工直接干預操作（如PID指令運行參數遠程設定）、控制環節報警監視等功能?？刂平缑嫒鐖D2。

    3.2恒壓供水的控制原理

    SAMISTAR變頻器具有REMOTE和LOCAL兩種操作方式。LOCAL操作方式下，通過LOCALSTART/STOP開關啟停變頻器，通過fREFLOCALINPUT0輸入端口的電位開關人工調節變頻器工作頻率；通過LOCAL/REMOTE輸入點可以將變頻器切換到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通過REMOTESTART/STOP輸入點進行PLC遠程啟停變頻器，通過fREFREMOTEINPUT0端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率。根據供水量情況，我們把變頻器的工作頻率上限設定為水泵基頻，即頻率變化范圍控制在0~50Hz，在此范圍內水泵運行頻率和定子相壓成正比（及與變頻器輸入頻率成正比），這使得變頻器輸入、水泵運行頻率和泵的輸出壓力成較好的線形關系，可得到較好的控制效果。SAMISTAR變頻器對用戶開放的I/0接口位于TERMINALBLOCKCARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTESTART/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（fREFREMOTEINPUT0、4~20mA信號輸入）；X11-15/16（輸出4~20mA變頻器運行頻率信號）；X11-17/18（輸出4~20mA變頻泵運行電流信號）。變頻器由PLC遠程控制時，啟動是由PLC向X11-4輸出信號，使變頻器切換到外部設備控制方式（REMOTE方式），再向X11-1輸出信號，啟動變頻器。在恒壓調節時，PLC處理器把檢測到的壓力信號作為反饋值，與PID運算的壓力設定值（由調度人員根據情況在REView上設定）進行比較，再經過PID運算得到調節后的修正值，通過模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出到X11-13/14，作為REMOTE方式下變頻器的頻率控制信號，由于該信號是相對變頻器工作頻率上限的百分比，所以變頻器將輸入信號進行內部運算后轉為真實工作頻率。

    為了使三期變頻恒壓供水自動控制系統與全廠自動控制網絡有機地結合起來，全面實現對恒壓供水系統的運行情況和設備運行進行監視和遠程控制，更加安全可靠地實現恒壓供水，我們使用PLC進行PID運算和監控。PID閉環反饋控制原理如圖3：

    PLC的PID運算調節通過該型處理器專用PID指令完成，通過設置各參數即可由PLC完成PID運算調節。PID程序段流程如圖4。PID指令必須以相同的時間間隔周期性地執行，可采用計時器，定時中斷或實時采樣的等方法，此處選用了定時方法；PV是PID指令采樣的壓力控制反饋值，SP是PID指令的壓力控制設定值，KP為PID的比例增益，KI為PID的積分增益，KD為PID的微分增益，這五個控制參數作為主要的PID參數參與控制，確定PID參數時要兼顧系統靈敏性和穩定性，由于我們恒壓控制要求和設備的性能條件，參數設定更強調穩定性（及KI），由于微分環節有放大噪聲的特點，我們將KD盡量設置得較??；SWM為PID指令轉為手動直接調頻的開關，SO設定為PID指令的在手動控制輸出方式時的輸出值，當變頻器從PID自控調節轉為手動直接調頻時，SO替代PID運算結果作為轉換時的輸出值，將SO設定為控制值就可實現無縫轉換，減小變頻器運行頻率的震蕩。DB為PID指令的死區設定值，輸出超出死區時PID指令通過自動運算限制輸出超出限定范圍。

    為了防止運行時由于壓力變送器不可預見的故障造成PLC的PID運算調節失實，從而造成管網壓力失恒引發失壓或爆管的嚴重事故。我們分別在1#和2#變頻泵后輸水管上安裝壓力變送器，可以同時測到出廠輸水管線上的壓力；在PLC程序上對壓力信號進行了相應的處理，在程序中設置選擇軟開關，調度人員可以在RSView上將其中一臺壓力變送器的值設定為“控制反饋值”，另一臺壓力變送器的值則設為“參考反饋值”（見圖2：變頻恒壓供水系統控制圖形界面（RSView工作站））；對1#壓力和2#壓力值進行比較，相差0.1Mpa時，判斷為，其中一只壓力變送器出現故障，變頻器控制轉換為遠程直接手動調頻控制（通過RSView設置運行）。壓力變送器正常工作時，“控制反饋值”經過平均濾波處理后，分別比較壓力報警上限和下限值，如果超出控制范圍，變頻器控制轉換為遠程直接手動調頻控制，否則“控制反饋值”作為PID調節的參數PV。

    同時為了在就地手動控制實現在控制現場對變頻泵進行開?？刂坪瓦\行數據監視。我們在變頻泵工作現場安裝了A-B公司的PanelView圖形工作終端，該工作終端提供圖形交互界面和觸摸輸入方式，以從站的方式與PLC進行通信，進行數據和控制命令的交換，提供就地監控操作的通道。

    4.運行效果分析

    圖5為數據庫采集的2001年某日我廠恒壓變頻泵出水壓力、頻率變化以及郫縣供水和自用水流量、管網壓力數據關系圖。

    從圖中數據可看出郫縣小時供水量變化很大，如果采用定速泵進行供水必然會導致高峰供水時段內管網供水壓力不足，夜間用水量較小時管網壓力過高，造成爆管現象。采用變頻恒壓控制后，變頻器的頻率隨郫縣用水量的變化而變化，及時調節我廠對郫縣供水量，從而使郫縣城區管網壓力在一個較小的范圍內變化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，雖然我廠自用水秒流量變化不大，但由于我廠自用水和郫縣供水為同一水泵加壓后，分作兩條支流，郫縣用水量的變化必然也會導致自用水壓力不穩定，采用恒壓變頻控制方式，基本克服了這種變化因素。從上圖曲線也可看出，我廠自用水壓力基本恒定不變。這樣保證了我廠加氯水射器等重要設備的正常工作，保證了正常的消毒工藝流程，從而保證我廠出廠水水質，提高我廠供水的安全可靠性。

    通過采用變頻調速恒壓控制，可在不同季節、全天不同時段內有效即時地調控水量，這樣在用水量較低時，大大節約供水量，減少電耗。

    在設定壓力內跟隨用水量供水，避免了傳統供水方式的損耗，降低噸水消耗。

    4.3提高自動化水平

    根據我廠建立自動控制系統的原則“分散控制、集中管理、現場無人值守”，變頻恒壓供水技術的應用提高了我廠自控系統的整體水平，真正作到了操作簡便安全，現場無人職守，運行安全可靠。

    [1]陳伯時、電力拖動自動控制系統、第2版、北京；機械工業出版社、1992.5、197-261。

    [2]李友善、自動控制原理上冊、修訂版、北京；國防工業出版社、1994.7、239-244。

    [3]ABBIndustryOy、SAMISTARFrequencyConverterUsersManual、inSweden;1995.6。

    [4]賀玲芳、基于PLC控制的全自動變頻恒壓供水系統、西安科技學院學報、2000.9、第20卷、第3期。

    [5]ALLEN-BRADLEY、AnalogInputModuleUsersManual、inUSA、1989.2、1771-6.5.47。

    [6]ALLEN-BRADLEY、AnalogOutputModuleUsersManual、inUSA、1987.10、1771-6.5.30。

    [7]ALLEN-BRADLEY、PLC-編程軟件指令集、inUSA、1991-11、6200-6.4.6