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趙鵬飛

1  概述
PLC自問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展異常迅猛。時(shí)至今日已擁有門類齊全的各種功能模塊和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，其應(yīng)用范圍可以覆蓋現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，滿足各類受控對(duì)象的不同控制要求。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它以其獨(dú)特的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。將PLC與變頻器結(jié)合可大大優(yōu)化傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，大體有兩種：一種是采用高位水箱，另一種是采用恒速泵打水。前者造價(jià)較高，投資成本大。后者使泵滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)法調(diào)節(jié)水量，因此浪費(fèi)電能。以上兩種方式還有著共同缺點(diǎn)，就是管道中水壓不穩(wěn)，時(shí)高時(shí)低。
如今，供水系統(tǒng)已越來(lái)越多地采用變頻恒壓供水。例如，某化工廠的廢水處理采用循環(huán)系統(tǒng)，將生產(chǎn)車間的廢水收集至廢水池，經(jīng)一系列物理、化學(xué)處理后，回送至車間使用。該控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，即水處理系統(tǒng)和自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)。自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)車間瞬時(shí)變化的用水量，以及與其對(duì)應(yīng)的壓力兩種參數(shù)，通過(guò)PLC和變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)數(shù)及臺(tái)數(shù)，來(lái)改變水泵出口的壓力和流量，使車間的用水壓力保持恒定值。
2  系統(tǒng)構(gòu)成
供水系統(tǒng)如圖1所示。P1、P2為加壓泵，用于向車間加壓供水，F(xiàn)1、F2為手動(dòng)閥門，F(xiàn)3、F4為止回閥。正常供水時(shí)，F(xiàn)1、F2為開啟狀態(tài)，只有在檢修時(shí)才關(guān)閉。蓄水池內(nèi)設(shè)有液位控制，當(dāng)蓄水池內(nèi)水位過(guò)低，它會(huì)向PLC發(fā)送信號(hào)使系統(tǒng)停機(jī)，以防水泵抽空。該系統(tǒng)設(shè)有選擇開關(guān)，可選擇系統(tǒng)在自動(dòng)和手動(dòng)狀態(tài)下工作。當(dāng)選擇手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可分別通過(guò)按鈕控制兩臺(tái)泵單獨(dú)在工頻下運(yùn)行與停止，這主要用于定期檢修臨時(shí)供水。當(dāng)選擇自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。
 

圖1  系統(tǒng)供水示意圖

3  工作原理
系統(tǒng)工作原理如圖2所示。PLC首先利用變頻器軟啟動(dòng)一臺(tái)加壓泵，此時(shí)安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實(shí)測(cè)的管網(wǎng)壓力反饋給變頻器，與預(yù)先通過(guò)變頻器面板設(shè)定的給定壓力值進(jìn)行比較，通過(guò)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。
具體地說(shuō)，在某一壓力下，當(dāng)用水量增大時(shí)，管路壓力下降，產(chǎn)生偏差，該信號(hào)被送入控制器進(jìn)行處理，控制器產(chǎn)生一定的電信號(hào)控制變頻器升頻，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水增加，壓力恢復(fù)。反之，用水量減少時(shí)，工作機(jī)理同上所述。由于整個(gè)過(guò)程壓力偏差較小，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒壓。實(shí)際上，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程。
 

圖2  控制系統(tǒng)圖

在用水量較大時(shí)，變頻器輸出頻率接近工頻，而管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到壓力設(shè)定值，PLC將當(dāng)前工作的變頻泵由變頻切換到工頻下工作，并關(guān)斷變頻器，再將變頻器切換到另一臺(tái)泵，由變頻器軟啟動(dòng)該泵，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻雙泵供水。隨著用水量減少，變頻器輸出頻率下降，當(dāng)降至頻率下限，而壓力仍能達(dá)到壓力設(shè)定值時(shí)，PLC將工頻工作泵切除，只由剩下的單泵變頻供水。系統(tǒng)無(wú)論單泵變頻工作，還是雙泵一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻工作，始終控制管網(wǎng)壓力與給定壓力值保持一致，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。
 

圖3  水泵切換示意圖

水泵切換程序如圖3所示，是根據(jù)設(shè)定的壓力與壓力傳感器測(cè)定的現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)之差△P來(lái)控制的。當(dāng)△P＞0時(shí)，增加輸出電流的大小，提高變頻器的輸出頻率，從而使變頻泵轉(zhuǎn)速加快，實(shí)際水壓得以提高；當(dāng)△P＜0時(shí)，則變頻泵轉(zhuǎn)速降低，實(shí)際水壓減少，△P減少。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，直至△P=0。由此，實(shí)際壓力在設(shè)定壓力附近波動(dòng)，保證壓力恒定。如果實(shí)際壓力太小，某臺(tái)調(diào)速泵調(diào)整到最大供水量仍不足以使△P=0，則該臺(tái)變頻泵切換至工頻，而增加下一臺(tái)泵為變頻工作；如果實(shí)際壓力過(guò)大，本臺(tái)調(diào)速泵調(diào)整到最小供水量仍不足以使△P=0，則關(guān)閉上次轉(zhuǎn)換成工頻的水泵，再進(jìn)行調(diào)整。這樣每臺(tái)泵在工頻和變頻之間切換，做到先開先停，后開后停，即所謂的循環(huán)調(diào)頻。各泵均衡運(yùn)行，合理利用資源，延長(zhǎng)泵的使用壽命，減少維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用。
4  系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1  變頻器硬件設(shè)計(jì)
變頻器選用日本三菱變頻器FR-E540-4K產(chǎn)品，適配電機(jī)4kW。該變頻器基本配置中帶有PID功能，通過(guò)變頻器面板設(shè)定一個(gè)給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號(hào)（0～10V）接至變頻器的輔助輸入端作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測(cè)壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上。
4.2  PLC硬件設(shè)計(jì)
PLC選用日本三菱公司的FXos-14MR產(chǎn)品。加壓泵P1、P2可變頻工作，也可工頻工作，共四個(gè)工況，需PLC的四個(gè)輸出信號(hào)控制。變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的一個(gè)輸出信號(hào)控制，蓄水池水位過(guò)低及聲響報(bào)警分別占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)和一個(gè)輸出點(diǎn)，加壓泵P1、P2的過(guò)載信號(hào)進(jìn)PLC的兩個(gè)輸出點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測(cè)信號(hào)占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)，有緊急情況和發(fā)生供電相序故障等，需要緊急停車時(shí)，系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)急停按鈕，占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)，以控制整個(gè)系統(tǒng)全線停車。系統(tǒng)分自動(dòng)和手動(dòng)工作方式，由一個(gè)選擇開關(guān)K控制，它連接PLC一個(gè)輸入點(diǎn)。
該控制系統(tǒng)中，安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器將0～0.4MPa范圍的壓力對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成0～10V電信號(hào)，反饋給變頻器，作為壓力反饋。該傳感器可靠性好，還可設(shè)定水壓的上、下限壓力值。它們分別設(shè)在給定壓力值上下兩側(cè)與給定壓力略有偏差處。當(dāng)管網(wǎng)壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開關(guān)信號(hào)進(jìn)PLC兩個(gè)輸入點(diǎn)，與變頻器的極限輸出頻率檢測(cè)信號(hào)一起，通過(guò)PLC控制泵的變頻與工頻切換以及控制工頻工作泵的切除。
系統(tǒng)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共為14個(gè)點(diǎn)，F(xiàn)Xos-14MR PLC共有8個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。FX系列PLC具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)，可長(zhǎng)期在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。
4.3  系統(tǒng)參數(shù)的確定
該供水系統(tǒng)的用水量變化較大，要求系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力及良好的穩(wěn)定性。因此在確定PID參數(shù)時(shí)要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)固性和靈敏度，P參數(shù)盡可能大，以保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性，在集中供水時(shí)保證系統(tǒng)壓力在設(shè)計(jì)要求的恒壓范圍內(nèi)；I、D參數(shù)的選取應(yīng)保證系統(tǒng)具有良好的靈敏度和抗干擾性。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出各參數(shù)的取值，P:60～80；I:10～15；D:1～3。
變頻到工頻的切換采用時(shí)間原則，即水泵電機(jī)變頻工作到額定轉(zhuǎn)速后，撤銷變頻，自由減速一定時(shí)間，待轉(zhuǎn)速略有降低后立即投入工頻工作。時(shí)間的長(zhǎng)短要使工頻接入時(shí)其啟動(dòng)電流在額定電流的150%內(nèi)，而且保證電機(jī)與變頻器連接的接觸器安全斷開。
5  應(yīng)用效果
該系統(tǒng)于2001年7月正式投入運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：
①  節(jié)能通過(guò)調(diào)整頻率來(lái)改變泵的轉(zhuǎn)速，使泵處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能約35%。
②  延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命 由于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為額定電流的5～7倍，沖擊轉(zhuǎn)矩很大。變頻啟動(dòng)是一種軟啟動(dòng)方式，可避免對(duì)電機(jī)的機(jī)械沖擊，且保護(hù)了管路系統(tǒng)。
③  有可靠的保護(hù)措施 高可靠性是PLC最突出的特點(diǎn)之一。由于變頻器自身設(shè)置過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)，消除了電機(jī)因過(guò)載或單相運(yùn)行而燒壞電機(jī)的現(xiàn)象，確保了安全生產(chǎn)。
④  減少設(shè)備的磨損 由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都降至額定轉(zhuǎn)速以下，水泵電機(jī)工作電流下降，電機(jī)溫升明顯下降，使泵及管路的磨損程度大大減少，維修工作量也大大減少。
⑤  提高了工作效率 系統(tǒng)能自動(dòng)控制泵的啟停，不需專人啟動(dòng)泵及調(diào)節(jié)閥門開度。因而工作效率大為提高，節(jié)約了人力資源成本。