隨著人們生活質(zhì)量的提高，以及對高效節(jié)能和設備使用壽命的要求的提高，這些方式都將逐漸被淘汰．因此，開發(fā)全自動的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)越來越受到人們的重視和青睞。針對高層樓宇供水問題，提出了采用PLC作為中心控制單元，與變頻器、水泵電機及控制電路相結(jié)合來構(gòu)成閉環(huán)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)快速調(diào)整供水量，使系統(tǒng)具有節(jié)能、工作可靠、自動控制程度高、經(jīng)濟易配置等優(yōu)點，可在生產(chǎn)、生活中得到廣泛應用．
目前，水泵電機通常由三相交流異步電動機來驅(qū)動，對水泵的調(diào)速通過對其電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)．而電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)主要通過變頻調(diào)速裝置同時改變電壓和頻率來實現(xiàn)．
變頻調(diào)速系統(tǒng)通常是使用變頻器拖動電機來實現(xiàn)電動機的軟啟動和無級調(diào)速，從而使鼠籠式異步電動機獲得更高性能．在分析水泵的負載特性時，常采用下列的一組公式：
式中：n為電機轉(zhuǎn)速;M為輸出轉(zhuǎn)矩;P為輸出功率．
由式（1）可知：水泵具有平方轉(zhuǎn)矩負載特性，當用水量減少時，電機轉(zhuǎn)速降低，電機轉(zhuǎn)速的微量減小，將使輸出功率大幅下降．
根據(jù)居民的實際用水情況，設計合理可靠的供水系統(tǒng)，使其在滿足用戶正常用水的同時，確保供水設施的安全運行．本設計從控制要求入手，分析系統(tǒng)的工作原理，選取相應設計方案，設計相應控制策略和控制流程，最后對其進行PLC的控制設計．
PLC的控制系統(tǒng)的主要任務是保證居民小區(qū)生活用水的可靠性．根據(jù)居民樓用水的現(xiàn)場實際情況，1d之中用水量會有若干個高峰期或低谷期，變頻器則根據(jù)出水口的壓力調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速與投切．系統(tǒng)的硬件部分主要包括變頻器、壓力傳感器、PLC、電氣控制柜、水泵機組和低壓電器等．
將壓力傳感器提供的管網(wǎng)壓力信號，傳送給變頻器，根據(jù)傳感器的采樣值與變頻器的設定值進行比較，通過內(nèi)置的PID功能進行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果作為變頻器頻率的給定輸入，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，保持供水管道的壓力恒定．當用水量較少時，管網(wǎng)壓力將增加，壓力的變化通過PID運算后使變頻器輸出頻率下降，電機轉(zhuǎn)速下降或減少運行的水泵數(shù)量，以此來減小管網(wǎng)壓力，保持恒壓供水．圖1為恒壓供水系統(tǒng)自動控制原理圖．
圖1 恒壓供水系統(tǒng)自動控制原理圖
該控制系統(tǒng)的基本控制策略是，利用PLC作為主控制器來控制變頻器對電機進行無極調(diào)速，以此達到恒壓供水的目的，從而滿足居民的正常用水需求．系統(tǒng)采用3臺功率為33kW的主電機根據(jù)檢測信號工作在工、變頻運行方式下，從而驅(qū)動水泵提供用水，在工作過程中要求2臺運行1臺備用．圖2為變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖．
圖2 系統(tǒng)主電路圖
由規(guī)模相近小區(qū)的歷史數(shù)據(jù)可知，某小區(qū)最大用水量已達到265m3/h，夏秋兩季的用水量可能會超過300m3/h．根據(jù)近幾年來的用水量情況及操作經(jīng)驗，該小區(qū)的供水工況劃分情況見表1．
表1某小區(qū)供水工況劃分結(jié)果
用水量很大的情況出現(xiàn)在夏秋兩季，其他4種情況在4個季節(jié)都可能出現(xiàn)．
在現(xiàn)實用水過程中，高層居民用水量是不斷變化的，所以系統(tǒng)應根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化實時升降頻、加減泵，以此使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，以保證可靠用水，又節(jié)約電能．如，當M1處于變頻運行狀態(tài)下，居民用水量增加，變頻器升頻使M1的轉(zhuǎn)速增加來維持供水壓力穩(wěn)定．若用水量不斷增加，M1的變頻控制在最大輸出時仍不能滿足要求，則PLC邏輯投入M2，即M1工作于工頻狀態(tài)下，M2工作于變頻狀態(tài)下．若用水量仍不斷增加，M2的變頻控制在最大輸出時仍不能滿足要求，則PLC邏輯投入M3，即M2工作于工頻狀態(tài)下，M3工作于變頻狀態(tài)下．若此時用水量減少，則變頻器降頻使M3轉(zhuǎn)速降低，來降低水壓．若此時用水量仍不斷減小，當最小輸出仍造成水壓過高時，用PLC切除M3．其他過程類似．
一個好的控制過程就需要一個好的控制器．對于恒壓供水系統(tǒng)，使用的是變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，通過對水壓的閉環(huán)控制來保證水壓恒定．圖3為恒壓供水的系統(tǒng)控制圖．
圖3 恒壓供水的系統(tǒng)控制圖
當控制系統(tǒng)中被控對象得不到精確的數(shù)學模型，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制［8］．為滿足系統(tǒng)性能要求，必須對PID控制器的參數(shù)KP，KI，KD進行整定．文中采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)法對其進行整定．選擇KP=3．45，KI=8．02，KD=1．76作為第1組試驗參數(shù)，將系統(tǒng)模擬投入運行，做閉環(huán)調(diào)試．圖4為其對應的PID校正控制的階躍響應曲線．
圖4 PID校正控制的階躍響應曲線
由圖4可知，系統(tǒng)的暫態(tài)性能指標為：Tr=1．15s，tp=2．63s，ts=15．1s，其暫態(tài)性能不滿足要求．根據(jù)圖像，適當改變參數(shù)大小，令KP=9．50．KI=8．625，KD=1．76，再做仿真．圖5是PID參數(shù)改變后校正控制的階躍響應曲線．
由圖5可知，系統(tǒng)的暫態(tài)性能指標為：Tr=0．784s，tp=1．92s，ts=3．86s，δ=18．3%，完全滿足要求，可以將其作為第1組參數(shù)投入運行，在實際供水過程中，再根據(jù)實際情況做適當調(diào)整，直到找到相對最佳的控制效果為止．
圖5 PID參數(shù)改變后校正控制的階躍響應曲線
由此可見，將PID算法應用于恒壓供水系統(tǒng)中，不僅可大大提高系統(tǒng)的控制精度，使其動態(tài)響應和調(diào)整更加快速穩(wěn)定，而且抗干擾性強，還節(jié)約成本．
正確的變頻器設置對系統(tǒng)性能的影響至關重要，表2列出了變頻器關鍵參數(shù)的典型設置值．
表2變頻器參數(shù)設置情況
PLC是按程序?qū)崿F(xiàn)控制的．基于西門子PLC：S7－200的硬件環(huán)境，利用STEP7－MICRO/WINV3．2版編程軟件來完成編程．編譯后通過PC/PPI通信電纜把程序下到PLC，通過在RUN模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶序號來實現(xiàn)控制任務的完成的．由系統(tǒng)可知，其I/O分配見表3．
表3數(shù)字量I/O分配表
主要的控制程序有：系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)傳遞和處理程序、水泵電機切換程序、事故處理和報警程序等．下面重點介紹水泵電機切換程序，圖6為水泵電機投切流程圖．
圖6 電機投切流程
針對某小區(qū)水泵站的供水要求，設計了基于PLC的變頻器恒壓供水系統(tǒng)：采用增量式PID算法，利用變頻調(diào)速完成電機轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)的設計;分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)原理和節(jié)能原理;研究了變頻恒壓的控制策略;設計了變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的控制程序;保證了居民的用水質(zhì)量，且高效節(jié)能，自動化程度高，保護功能齊全，運行穩(wěn)定可靠．
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