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趙鵬飛

1  概述
PLC自問世以來，發展異常迅猛。時至今日已擁有門類齊全的各種功能模塊和強大的網絡通訊能力，其應用范圍可以覆蓋現代工業的各個領域，滿足各類受控對象的不同控制要求。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，它以其獨特的控制性被廣泛應用在速度控制領域。將PLC與變頻器結合可大大優化傳統的供水系統。
傳統的供水系統，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。前者造價較高，投資成本大。后者使泵滿負荷運轉，無法調節水量，因此浪費電能。以上兩種方式還有著共同缺點，就是管道中水壓不穩，時高時低。
如今，供水系統已越來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系統，將生產車間的廢水收集至廢水池，經一系列物理、化學處理后，回送至車間使用。該控制系統主要由兩部分組成，即水處理系統和自動恒壓供水系統。自動恒壓供水系統可根據生產車間瞬時變化的用水量，以及與其對應的壓力兩種參數，通過PLC和變頻器自動調節水泵的轉數及臺數，來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  系統構成
供水系統如圖1所示。P1、P2為加壓泵，用于向車間加壓供水，F1、F2為手動閥門，F3、F4為止回閥。正常供水時，F1、F2為開啟狀態，只有在檢修時才關閉。蓄水池內設有液位控制，當蓄水池內水位過低，它會向PLC發送信號使系統停機，以防水泵抽空。該系統設有選擇開關，可選擇系統在自動和手動狀態下工作。當選擇手動狀態時，可分別通過按鈕控制兩臺泵單獨在工頻下運行與停止，這主要用于定期檢修臨時供水。當選擇自動狀態時，可實現恒壓變量供水。
 

圖1  系統供水示意圖

3  工作原理
系統工作原理如圖2所示。PLC首先利用變頻器軟啟動一臺加壓泵，此時安裝在管網上的傳感器將實測的管網壓力反饋給變頻器，與預先通過變頻器面板設定的給定壓力值進行比較，通過變頻器內部PID運算，調節變頻器輸出頻率。
具體地說，在某一壓力下，當用水量增大時，管路壓力下降，產生偏差，該信號被送入控制器進行處理，控制器產生一定的電信號控制變頻器升頻，水泵轉速升高，供水增加，壓力恢復。反之，用水量減少時，工作機理同上所述。由于整個過程壓力偏差較小，調節時間較短，系統表現為恒壓。實際上，這是一個動態調整過程。
 

圖2  控制系統圖

在用水量較大時，變頻器輸出頻率接近工頻，而管網壓力仍達不到壓力設定值，PLC將當前工作的變頻泵由變頻切換到工頻下工作，并關斷變頻器，再將變頻器切換到另一臺泵，由變頻器軟啟動該泵，實現一臺工頻一臺變頻雙泵供水。隨著用水量減少，變頻器輸出頻率下降，當降至頻率下限，而壓力仍能達到壓力設定值時，PLC將工頻工作泵切除，只由剩下的單泵變頻供水。系統無論單泵變頻工作，還是雙泵一臺工頻一臺變頻工作，始終控制管網壓力與給定壓力值保持一致，實現恒壓供水。
 

圖3  水泵切換示意圖

水泵切換程序如圖3所示，是根據設定的壓力與壓力傳感器測定的現場壓力信號之差△P來控制的。當△P＞0時，增加輸出電流的大小，提高變頻器的輸出頻率，從而使變頻泵轉速加快，實際水壓得以提高；當△P＜0時，則變頻泵轉速降低，實際水壓減少，△P減少。經過多次調整，直至△P=0。由此，實際壓力在設定壓力附近波動，保證壓力恒定。如果實際壓力太小，某臺調速泵調整到最大供水量仍不足以使△P=0，則該臺變頻泵切換至工頻，而增加下一臺泵為變頻工作；如果實際壓力過大，本臺調速泵調整到最小供水量仍不足以使△P=0，則關閉上次轉換成工頻的水泵，再進行調整。這樣每臺泵在工頻和變頻之間切換，做到先開先停，后開后停，即所謂的循環調頻。各泵均衡運行，合理利用資源，延長泵的使用壽命，減少維護量和維護費用。
4  系統設計
4.1  變頻器硬件設計
變頻器選用日本三菱變頻器FR-E540-4K產品，適配電機4kW。該變頻器基本配置中帶有PID功能，通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的壓力信號（0～10V）接至變頻器的輔助輸入端作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速，控制管網壓力保持在給定壓力值上。
4.2  PLC硬件設計
PLC選用日本三菱公司的FXos-14MR產品。加壓泵P1、P2可變頻工作，也可工頻工作，共四個工況，需PLC的四個輸出信號控制。變頻器的運行與關斷由PLC的一個輸出信號控制，蓄水池水位過低及聲響報警分別占用PLC一個輸入點和一個輸出點，加壓泵P1、P2的過載信號進PLC的兩個輸出點，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC一個輸入點，有緊急情況和發生供電相序故障等，需要緊急停車時，系統設有一個急停按鈕，占用PLC一個輸入點，以控制整個系統全線停車。系統分自動和手動工作方式，由一個選擇開關K控制，它連接PLC一個輸入點。
該控制系統中，安裝在管網上的壓力傳感器將0～0.4MPa范圍的壓力對應轉換成0～10V電信號，反饋給變頻器，作為壓力反饋。該傳感器可靠性好，還可設定水壓的上、下限壓力值。它們分別設在給定壓力值上下兩側與給定壓力略有偏差處。當管網壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開關信號進PLC兩個輸入點，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起，通過PLC控制泵的變頻與工頻切換以及控制工頻工作泵的切除。
系統所需的輸入/輸出點數量共為14個點，FXos-14MR PLC共有8個輸入點，6個輸出點，能夠滿足系統的控制要求。FX系列PLC具有抗干擾能力強，可靠性高等特點，可長期在惡劣的工業環境下工作。
4.3  系統參數的確定
該供水系統的用水量變化較大，要求系統具有快速反應能力及良好的穩定性。因此在確定PID參數時要兼顧系統的穩固性和靈敏度，P參數盡可能大，以保證系統有良好的穩定性，在集中供水時保證系統壓力在設計要求的恒壓范圍內；I、D參數的選取應保證系統具有良好的靈敏度和抗干擾性。經過反復試驗得出各參數的取值，P:60～80；I:10～15；D:1～3。
變頻到工頻的切換采用時間原則，即水泵電機變頻工作到額定轉速后，撤銷變頻，自由減速一定時間，待轉速略有降低后立即投入工頻工作。時間的長短要使工頻接入時其啟動電流在額定電流的150%內，而且保證電機與變頻器連接的接觸器安全斷開。
5  應用效果
該系統于2001年7月正式投入運行。運行結果表明該系統有以下優點：
①  節能通過調整頻率來改變泵的轉速，使泵處于最佳運行狀態，實現節能約35%。
②  延長電動機的使用壽命 由于電動機的啟動電流為額定電流的5～7倍，沖擊轉矩很大。變頻啟動是一種軟啟動方式，可避免對電機的機械沖擊，且保護了管路系統。
③  有可靠的保護措施 高可靠性是PLC最突出的特點之一。由于變頻器自身設置過流、過壓、欠壓保護，消除了電機因過載或單相運行而燒壞電機的現象，確保了安全生產。
④  減少設備的磨損 由于電動機的轉速一般都降至額定轉速以下，水泵電機工作電流下降，電機溫升明顯下降，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 系統能自動控制泵的啟停，不需專人啟動泵及調節閥門開度。因而工作效率大為提高，節約了人力資源成本。