PLC及變頻調(diào)速技術(shù)在泵站恒壓供水中的應(yīng)用

1、2004年第4期工業(yè)儀表與自動化裝置51PLC及變頻調(diào)速技術(shù)在泵站恒壓供水中的應(yīng)用趙勇飛,陳啟卷(武漢大學動力與機械學院,湖北武漢430072)摘要:根據(jù)工業(yè)恒壓供水的要求,采用PLC與變頻調(diào)速技術(shù)對供水泵組進行控制,并在控制系統(tǒng)中引進了軟硬件雙重濾波技術(shù)和數(shù)字PID在線控制技術(shù)。介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計、工作原理、運行方式、參數(shù)整定等。長時間的運行表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性很好。關(guān)鍵詞:恒壓供水;變頻調(diào)速;水泵;PLC中圖分類號:TP273文獻標識碼:B文章編號:100020682(2004)0420051203TheapplicationofPLCandVFSRtoisobarricw

2、atersupplyZHAOYong2fei,CHENQi2juan(SchoolofPower2Mechanics,WuhanUniversity,HubeiWuhan430072,China)Abstract:ThepaperstudiestheapplicationofPLCs,frequencyvariableandspeedregulating(VFSR)technologytothecontrolofwatersupplypumps.ItintroduceshardwareandsoftwarefilteringanddigitalPIDon2linecontroltoacontr

3、olsystemwhosehardwareconfiguration,softwaredesign,workingprinciples,operationmodesandparametertuningareproposedinthispapertoo.Long2timeoperationshaveprovedthatthesystemisofhighstabilityandsafety.Keywords:isobaricwatersupply;VFSR;waterpump;PLC0引言供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大,水質(zhì)易污染,基建投資多,而最主要的缺點是水

4、壓不能保持恒定,導致部分設(shè)備不能正常工作。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機無極調(diào)速技術(shù),它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域,特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要,對恒壓供水壓力有著嚴格的要求,因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用。恒壓供水方式技術(shù)先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高,在泵站供水中可完成以下功能:(1)維持水壓恒定;(2)控制系統(tǒng)可手動/自動運行;(3)多臺泵自動切換運行;(4)系統(tǒng)睡眠與喚醒。當外界停止用水時,系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài),直至有用水需求時自動喚醒;(5)在線調(diào)整PID參數(shù);(6)泵組及線路保護檢測報警,信號顯示等。其工

5、作原理如圖1所示。將管網(wǎng)的實際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進行比較,當管網(wǎng)壓力不足時,變頻器增大輸出頻率,水泵收稿日期:2003-11-11作者簡介:趙勇飛(1979-),男,碩士生,主要從事水電廠動力設(shè)備及控制診斷技術(shù)研究。轉(zhuǎn)速加快,供水量增加,迫使管網(wǎng)壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢,供水量減小,管網(wǎng)壓力下降,保持恒壓供水。圖1恒壓供水系統(tǒng)的工作原理圖1系統(tǒng)硬件構(gòu)成系統(tǒng)采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置,實現(xiàn)所需功能。圖2為3臺泵恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器,用于檢測管 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical D

6、isc Co., Ltd. All rights reserved.52工業(yè)儀表與自動化裝置2004年第4期網(wǎng)的水壓,將壓力轉(zhuǎn)化為420mA的電流信號,提供給PLC與變頻器。變頻器是水泵電機的控制設(shè)備,能按照水壓恒定需要將050Hz的頻率信號供給水泵電機,調(diào)整其轉(zhuǎn)速。ACS變頻器功能強大,預(yù)置了多種應(yīng)用宏,即預(yù)先編置好的參數(shù)集,應(yīng)用宏將使用過程中所需設(shè)定的參數(shù)數(shù)量減小到最小,參數(shù)的缺省值依應(yīng)用宏的選擇而不同。系統(tǒng)采用PID控制的應(yīng)用宏,進行閉環(huán)控制。該宏提供了6個輸入信號:啟動/停止(DI1、DI5)、模擬量給定(AI1)、實際值(AI2)、控制方式選擇(DI2)、恒速(DI3)、允許運行(D

7、I4);3個輸出信號:模擬輸出(頻率)、繼電器輸出1(故障)、繼電器輸出2(運行);DIP開關(guān)選擇輸入010V電壓值或020mA電流值(系統(tǒng)采用電流值)。變頻器根據(jù)給定值A(chǔ)I1和實際值A(chǔ)I2,即根據(jù)恒壓時對應(yīng)的電壓設(shè)定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號,利用PID控制宏自動調(diào)節(jié),改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的水泵電機轉(zhuǎn)速,以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。根據(jù)泵站供水實際情況與需求,利用一臺變頻器控制3臺水泵,因此除改變水泵電機轉(zhuǎn)速外,還要通過增減運行泵的臺數(shù)來維持水壓恒定,當運行泵滿工頻抽水仍達不到恒壓要求時,要投入下一臺泵運行。反之,當變頻器輸出頻率降至最小,壓力仍過高時,要切除一臺運行泵。所以不僅需

8、要開關(guān)量控制,還需數(shù)據(jù)處理能力,采用FX-4AD(4模擬量入)獲得模擬量信號。它在應(yīng)用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣,隨時將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,放在數(shù)據(jù)寄存器中,由數(shù)據(jù)處理指令調(diào)用,并將計算結(jié)果隨時放在指定的數(shù)據(jù)接觸器中。通過其可將壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,提供給PLC1,與恒壓對應(yīng)電流值、頻率上限、頻率下限(考慮到水泵電機在低速運行時危險,必須保證其頻率不低于20Hz,因此頻率上限設(shè)為工頻50Hz,下限設(shè)為20Hz)進行比較,實現(xiàn)泵的切換與轉(zhuǎn)速的變化。系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)使水泵在變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換過程盡可能快,以保證供水的連續(xù)性,水壓波動盡可能小,從而提高供

9、水質(zhì)量。但元件動作過程太快,會有回流損壞變頻器。為了防止故障的發(fā)生,硬件上必須設(shè)置閉鎖保護,即1Q與4Q,2Q與5Q,3Q與6Q不能同時閉合。系統(tǒng)的手動及自動切換、各元件和參數(shù)的初始化、信號及通訊數(shù)據(jù)的預(yù)處理、3臺泵的啟動、切換及停止的條件、順序、過程等問題。當變頻器輸出頻率達到頻率上限,供水壓力未達到預(yù)設(shè)值時,發(fā)出加泵信號,投入下1臺泵供水。當供水壓力達到預(yù)設(shè)值,變頻器輸出頻率降到頻率下限時,發(fā)出減泵信號,切除在工頻運行方式中的1臺泵。系統(tǒng)剛啟動時,情況簡單,首先啟動一號泵即可。但考慮3臺泵聯(lián)合運行時情況復雜,任1臺或2臺泵可能正在工頻自動方式下運行,而其他泵則可能在變頻器控制下運行,因此必

10、須預(yù)先設(shè)定增減水泵的順序。即獲得加泵信號后,按照1號泵、2號泵、3號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得減泵信號后,按照3號泵、2號泵、1號泵的順序優(yōu)先考慮。為了防止故障的發(fā)生,軟件上也必須設(shè)置保護程序,保證1Q與4Q、2Q與5Q、3Q與6Q不能同時閉合。在加減泵時必須設(shè)置元件動作順序及延時,防止誤動作發(fā)生。系統(tǒng)切換泵流程見圖3。圖3系統(tǒng)切換泵流程考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對運行狀態(tài)的影響,在設(shè)計中采用硬件、軟件上的雙重濾波來消除干擾的影響。硬件上變頻器提供了濾波時間常數(shù),當模擬輸入信號變化時,63%的變化發(fā)生在所定義的時間常數(shù)中;軟件上采用數(shù)字濾波的方式,系統(tǒng)采用平均值的方法2。計算最近10次采樣的平均值,其計算

11、公式如下:9Ag=D10i=0i3系統(tǒng)參數(shù)的確定系統(tǒng)變頻運行主要靠變頻器來實現(xiàn)。變頻器有一數(shù)量很大的參數(shù)群,初始情況下,只有所謂的基本參數(shù)可以看到。只需設(shè)定簡單的幾個參數(shù),變頻器就可以工作。主要基本參數(shù)見表1。2系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺泵進行控制的程序。它對3臺泵的控制,主要解決 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2004年第4期工業(yè)儀表與自動化裝置53表1主要基本參數(shù)的設(shè)定代碼名稱含義1303FilterAI1濾波時間2007MinimumFreq最小輸出頻

12、率2102StopFunction停車方式2606U/FRatioU/F比9902ApplicMacro選擇應(yīng)用宏9908MotorNOmSpeed電機額定頻率設(shè)定值71520Hz電機慣性停車平方型PID控制1440r/min獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB進行插值擬合可得系統(tǒng)在不同條件下跟蹤壓力變化的曲線5。試驗記錄的數(shù)據(jù)顯示,系統(tǒng)在未進行濾波和PID控制時,響應(yīng)速度特別慢、誤差大、振蕩嚴重,見圖5。在未進行濾波而引入數(shù)字PID控制時,響應(yīng)速度明顯加快,但振蕩問題未能得到解決,這是由于喘振現(xiàn)象的存在;當管道壓力與設(shè)定值近似相當時,水錘效應(yīng)影響明顯,壓力波動異常,PID的參數(shù)跟蹤整定,形成惡性循環(huán),管

13、道中空氣的存在也會導致振蕩問題,見圖6。引入濾波與數(shù)字PID控制后,系統(tǒng)控制品質(zhì)明顯好轉(zhuǎn),響應(yīng)速度快,克服了振蕩問題,見圖7。表2為試驗數(shù)據(jù)表。除基本參數(shù)外,還必須對完整參數(shù)進行設(shè)定。完整參數(shù)的設(shè)定主要是PID參數(shù)的整定,它是按照工藝對控制性能的要求,決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp,TI,TD?？刂票磉_式為:e(t)=r(t)-y(t)U(t)=Kpe(t)+(1/TI)e(t)dt+TtD(de(t)/dt)其增量式為:U(n)=q0e(n)+q1e(n-1)+q2e(n-2)其中q0=Kp(1+TS/TI+TD/TS)q1=Kp(1+2TD/TS)q2=KpTD/TS圖5未加入濾波、數(shù)字PID控制,

14、僅比例參數(shù)為1情況系統(tǒng)運算程序見圖4。圖6未加入濾波,而加入數(shù)字PID控制情況圖4系統(tǒng)運算程序圖7加入濾波、數(shù)字PID控制情況表2試驗數(shù)據(jù)表圖7振蕩最大峰值僅第1次13831325恒壓對應(yīng)值(5kg)振蕩最低谷值1296壓力到達恒定時間26第1次7,穩(wěn)定振蕩周期218218后只有小的抖動頻率振蕩區(qū)域僅出現(xiàn)一次3711431036164414圖514111325(5kg)1173197圖614561325(5kg)112418變頻器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)PID的參數(shù),當運行參數(shù)遠離目標參數(shù)時,調(diào)節(jié)幅度加快,隨著偏差的逐步接近,跟蹤的幅度逐漸減小,近似相等時,系統(tǒng)達到一4個動態(tài)平衡,維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)3

15、、。4試驗結(jié)果由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能,可以對系統(tǒng)工作情況進行監(jiān)測?？紤]到管網(wǎng)覆蓋面積大,泵站海拔高度相對低,遠端供水壓力需維持3kg,因此泵站出水口壓力必須維持5kg。試驗條件為管網(wǎng)初始無壓力,電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動系統(tǒng)。(下轉(zhuǎn)第55頁下) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2004年第4期工業(yè)儀表與自動化裝置55工作。采用的干擾抑制措施有:(1)屏蔽采用屏蔽技術(shù)能有效地抑制來自電場和磁場的干擾。對元器件進行屏蔽(變壓器、電感等)減少其對周圍電路的電磁干擾;對傳輸線進行屏蔽

16、,信號線采用屏蔽線,減少外部干擾;對部件進行屏蔽,減少電磁場干擾。(2)隔離常用的隔離器件有光電耦合器、繼電器等。隔離既解決了器件之間的電平匹配,又抑制了干擾信號。(3)濾波濾波是最常用的辦法。每個集成電路的電源引腳接1只011F的濾波電容,減少該IC的干擾和被干擾信號;當系統(tǒng)有幾塊印制電路板時,在各印制電路板的電源進線端就近安裝濾波電容;系統(tǒng)的供電接相應(yīng)的電源濾波器。(4)地線的處理在單片機控制系統(tǒng)中,接地是抑制干擾的重要內(nèi)容。在設(shè)計時若能將接地和屏蔽正確地結(jié)合在一起,可以解決大部分干擾引起的故障。接地包括兩部分的內(nèi)容:一是接地點是否正確;二是接地點是否牢固。接地點選擇正確可以防止系統(tǒng)各部分

17、的串擾,接地點牢固可使接地點處于零阻抗,降低接地電位,防止接地系統(tǒng)的共模干擾。單片機控制系統(tǒng)中地線有許多類型,有保護接地和工作接地兩大類。保護接地主要是為了避免工作人員因設(shè)備絕緣損壞或性能下降時,遭受到觸電危險和保證設(shè)備的安全,而工作接地則主要是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行,防止地環(huán)路引起的干擾,在單片機控制系統(tǒng)中,地線大致可分為以下幾類:a)模擬地放大器、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器和比較器的零電位;b)數(shù)字地也叫邏輯地,是數(shù)字電路的零電位;c)交流地交流電源的零線;d)直流地直流電源的地線;e)信號地傳感器件的地電平;f)功率地大電流網(wǎng)絡(luò)元件功放器件的零電位;g)屏蔽地一般同機殼相連,為防止靜

18、電感應(yīng)而設(shè)置,常和大地相接。不同的(上接第53頁)地線有不同的處理方法,要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況,具體問題具體分析。A:一點接地和多點接地在低頻電路中,布線和元件之間的電感不會產(chǎn)生太大的影響,常采用一點接地,若采用多點接地,形成地環(huán)路,對于干擾更敏感。而在高頻電路中,寄生電容和電感影響較大,宜采用多點接地。通常頻率小于1MHz時,采用一點接地,頻率高于10MHz時采用多點接地。B:數(shù)字地和模擬地必須分開即使是對于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器同一個芯片上的兩種接地也最好分開,僅在系統(tǒng)一點上把兩種接地連接起來。C:交流地和信號地不要共用在電源地線的兩點之間的電壓會有數(shù)毫伏,甚至更大。這個電壓對低電平電路將是一個嚴重的干擾,因此兩個地不能相通。D:浮地和接地系統(tǒng)浮地,是將系統(tǒng)電路的各個部分地線浮置起來,不與大地相連。這種接法,有一定抗干擾能力。但系統(tǒng)與地的絕緣電阻不能小于50M,一旦絕緣下降,便會帶來干擾。通常采用系統(tǒng)浮地、機殼接地,可使抗干擾能力增強,安全可靠。E:印制電路板地線分布1)TTL、CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀,其