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(mén)類(lèi)齊全的各種功能模塊和強大的網(wǎng)絡(luò )通訊能力，其應用范圍可以覆蓋現代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，滿(mǎn)足各類(lèi)受控對象的不同控制要求。變頻調速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機無(wú)級調速驅動(dòng)技術(shù)，它以其獨特的控制性被廣泛應用在速度控制領(lǐng)域。將PLC與變頻器結合可大大優(yōu)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(jià)較高，投資成本大。后者使泵滿(mǎn)負荷運轉，無(wú)法調節水量，因此浪費電能。以上兩種方式還有著(zhù)共同缺點(diǎn)，就是管道中水壓不穩，時(shí)高時(shí)低。
如今，供水系統已越來(lái)越多地采用變頻恒壓供水。例如，某化工廠(chǎng)的廢水處理采用循環(huán)系統，將生產(chǎn)車(chē)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(chē)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(dòng)恒壓供水系統。自動(dòng)恒壓供水系統可根據生產(chǎn)車(chē)間瞬時(shí)變化的用水量，以及與其對應的壓力兩種參數，通過(guò)PLC和變頻器自動(dòng)調節水泵的轉數及臺數，來(lái)改變水泵出口的壓力和流量，使車(chē)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(chē)間加壓供水，F1、F2為手動(dòng)閥門(mén)，F3、F4為止回閥。正常供水時(shí)，F1、F2為開(kāi)啟狀態(tài)，只有在檢修時(shí)才關(guān)閉。蓄水池內設有液位控制，當蓄水池內水位過(guò)低，它會(huì )向PLC發(fā)送信號使系統停機，以防水泵抽空。該系統設有選擇開(kāi)關(guān)，可選擇系統在自動(dòng)和手動(dòng)狀態(tài)下工作。當選擇手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可分別通過(guò)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(shí)供水。當選擇自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可實(shí)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(dòng)一臺加壓泵，此時(shí)安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實(shí)測的管網(wǎng)壓力反饋給變頻器，與預先通過(guò)變頻器面板設定的給定壓力值進(jìn)行比較，通過(guò)變頻器內部PID運算，調節變頻器輸出頻率。
具體地說(shuō)，在某一壓力下，當用水量增大時(shí)，管路壓力下降，產(chǎn)生偏差，該信號被送入控制器進(jìn)行處理，控制器產(chǎn)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(shí)，工作機理同上所述。由于整個(gè)過(guò)程壓力偏差較小，調節時(shí)間較短，系統表現為恒壓。實(shí)際上，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)調整過(guò)程。
 

圖2  控制系統圖

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(guān)斷變頻器，再將變頻器切換到另一臺泵，由變頻器軟啟動(dòng)該泵，實(shí)現一臺工頻一臺變頻雙泵供水。隨著(zhù)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(shí)，PLC將工頻工作泵切除，只由剩下的單泵變頻供水。系統無(wú)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(wǎng)壓力與給定壓力值保持一致，實(shí)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(chǎng)壓力信號之差△P來(lái)控制的。當△P＞0時(shí)，增加輸出電流的大小，提高變頻器的輸出頻率，從而使變頻泵轉速加快，實(shí)際水壓得以提高；當△P＜0時(shí)，則變頻泵轉速降低，實(shí)際水壓減少，△P減少。經(jīng)過(guò)多次調整，直至△P=0。由此，實(shí)際壓力在設定壓力附近波動(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(shí)際壓力過(guò)大，本臺調速泵調整到最小供水量仍不足以使△P=0，則關(guān)閉上次轉換成工頻的水泵，再進(jìn)行調整。這樣每臺泵在工頻和變頻之間切換，做到先開(kāi)先停，后開(kāi)后停，即所謂的循環(huán)調頻。各泵均衡運行，合理利用資源，延長(cháng)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(chǎn)品，適配電機4kW。該變頻器基本配置中帶有PID功能，通過(guò)變頻器面板設定一個(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（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(shí)測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速，控制管網(wǎng)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(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)輸出信號控制。變頻器的運行與關(guān)斷由PLC的一個(gè)輸出信號控制，蓄水池水位過(guò)低及聲響報警分別占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)和一個(gè)輸出點(diǎn)，加壓泵P1、P2的過(guò)載信號進(jìn)PLC的兩個(gè)輸出點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測信號占用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(chē)時(shí)，系統設有一個(gè)急停按鈕，占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)，以控制整個(gè)系統全線(xiàn)停車(chē)。系統分自動(dòng)和手動(dòng)工作方式，由一個(gè)選擇開(kāi)關(guān)K控制，它連接PLC一個(gè)輸入點(diǎn)。
該控制系統中，安裝在管網(wǎng)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(wǎng)壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開(kāi)關(guān)信號進(jìn)PLC兩個(gè)輸入點(diǎn)，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起，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。
系統所需的輸入/輸出點(diǎn)數量共為14個(gè)點(diǎn)，FXos-14MR PLC共有8個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)，能夠滿(mǎn)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(diǎn)，可長(cháng)期在惡劣的工業(yè)環(huán)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(shí)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(shí)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(jīng)過(guò)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(shí)間原則，即水泵電機變頻工作到額定轉速后，撤銷(xiāo)變頻，自由減速一定時(shí)間，待轉速略有降低后立即投入工頻工作。時(shí)間的長(cháng)短要使工頻接入時(shí)其啟動(dòng)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(kāi)。
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(yōu)點(diǎn)：
①  節能通過(guò)調整頻率來(lái)改變泵的轉速，使泵處于最佳運行狀態(tài)，實(shí)現節能約35%。
②  延長(cháng)電動(dòng)機的使用壽命 由于電動(dòng)機的啟動(dòng)電流為額定電流的5～7倍，沖擊轉矩很大。變頻啟動(dòng)是一種軟啟動(dòng)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(diǎn)之一。由于變頻器自身設置過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護，消除了電機因過(guò)載或單相運行而燒壞電機的現象，確保了安全生產(chǎn)。
④  減少設備的磨損 由于電動(dòng)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(dòng)控制泵的啟停，不需專(zhuān)人啟動(dòng)泵及調節閥門(mén)開(kāi)度。因而工作效率大為提高，節約了人力資源成本。