［關(guān)鍵詞］PLC； 變頻器； 模糊控制； 恒壓供水
1前言
在目前的城市供水系統(tǒng)和小區(qū)高樓供水系統(tǒng)中還有很多采用高位水塔或直接水泵加壓供水方式，在這種供水方式中由于揚水較高且電機一直高速運行造成較大的電能消耗，目前的水費成本中，電費比例達50%以上。
本文針對黑龍江東部地區(qū)某大型泵站供水系統(tǒng)的實際情況，采用PLC和變頻器組成恒壓供水系統(tǒng)，取代了原來的手動調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)對供水壓力的自動控制。而且在原系統(tǒng)基礎上只用了極少的投資即完成了項目的改造，該系統(tǒng)可以明顯節(jié)約電能并使管網(wǎng)水壓波動較小，從而降低了設備運行的故障率和工人的勞動強度，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
2水泵特性分析及節(jié)能原理
泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、揚程H及泵的軸功率N的關(guān)系如下式所示：
式(2—1)表明，泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當電動機驅(qū)動泵時，電動機的輔功率P(kW)可按式(2—2)計算：
圖2—1是泵的流量Q與揚程H的關(guān)系曲線。圖中，曲線①為泵在轉(zhuǎn)速n1下的揚程—流量(H—Q)的特性；曲線⑤為泵在轉(zhuǎn)速n2下的揚程—流量(H—Q)的特性；曲線②為泵在轉(zhuǎn)速n1下的功率—流量(P—Q)的特性；曲線③、④為管阻特性。
假設泵的標準工作點A點的效率最高，輸出流量Q為100%，此時軸功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當流量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)閥門方法(相當于增加管網(wǎng)阻力)，使管阻特性從曲線③變到曲線④，系統(tǒng)由原來的工作點A變到新的工作點B運行。此時，泵揚程增加，軸功率P2與面積BH2OQ2成正比。如果采用變頻器控制方式，泵轉(zhuǎn)速由n1降到n2，在滿足同樣流量Q2的情況下，揚程H3大幅降低，軸功率P3與面積CH3OQ3成正比。軸功率P3與P1、P2之和相比較，將顯著減小，節(jié)省的功率損耗ΔP與面積BH2H3C成正比，節(jié)能效果十分顯著［1］。
3模糊變頻恒壓供水系統(tǒng)
恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費。為實現(xiàn)上述目標，利用PLC根據(jù)給定壓力信號和反饋壓力信號，通過模糊推理運算，控制變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達到控制管網(wǎng)水壓的目的。變頻恒壓供水系統(tǒng)如圖3—1所示。根據(jù)供水壓力要求，采用一用一備變頻恒壓供水系統(tǒng)。
3.1系統(tǒng)主電路
一用一備變頻器恒壓供水系統(tǒng)就是一臺水泵供水、另一臺水泵備用，當供水泵出現(xiàn)故障或需要定期檢修時，備用泵馬上投入，不使供水中斷。兩臺水泵均為變頻器驅(qū)動，并且當變頻器故障時，可自動實現(xiàn)變頻/工頻切換。主電路如圖3—2所示。圖中，M1為主泵電機，M2為備用泵電機，QF為低壓斷路器，KM0，KM1，KM2，KM3，KM4為接觸器，F(xiàn)R1，F(xiàn)R2為熱繼電器［2］。
3.2控制系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)主要由S7200、CPU214的PLC一臺及TD200文本顯示器，臺達VFD220A23A變頻器，D150型壓力變送器，流量計及檢測水箱液位的差壓變送器，V/F轉(zhuǎn)換電路，兩臺22kW籠型三相異步電動機?？刂齐娐啡鐖D3—3所示。當PLC控制變頻器啟動后壓力表檢測出管網(wǎng)壓力為0～10V模擬電壓信號，經(jīng)由LM331組成的V/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為0～2kHz的頻率信號，送入PLC的高速輸入端口作為實際壓力值。PLC接收到壓力值后與給定壓力進行比較，然后通過模糊推理運算，控制變頻器的多段速輸入端子M11、M12、M13的通斷，變頻器依據(jù)事先的設定頻率，控制水泵進行調(diào)速運行，從而控制供水壓力。
PLC同時還完成控制變頻器啟動和接收變頻器故障報警信號，通過水池內(nèi)的差壓變送器自動監(jiān)測水池中的水位，使變頻器控制水泵電動機在無水后自動停機。另外變頻器本身具有過壓、過流、斷相、過熱保護和故障顯示等功能。TD200文本顯示器主要用來完成模糊控制量化因子、采樣周期的設定，實時供水壓力顯示，壓力設定值顯示等功能。
3.3水壓模糊控制系統(tǒng)軟件設計
在改造之前，該系統(tǒng)采用人工手動調(diào)節(jié)控制，操作人員根據(jù)管道壓力表的讀數(shù)，手動調(diào)節(jié)變頻器的給定頻率，從而提高或降低管網(wǎng)水壓，達到恒壓供水的目的。由于用戶較多并且用水時間不確定，管網(wǎng)水壓波動較大，數(shù)學模型很難確定，而模糊控制不需要精確的數(shù)學模型，因此本系統(tǒng)控制算法采用模糊控制方式進行設計。
模糊控制器的設計主要包括以下3部分［3］：
(1)選擇輸入輸出變量
壓力的給定值設為p，管道的實測壓力值為p(k)，則誤差為e(k)=p-p(k)作為模糊控制器的輸入變量，輸出變量為控制變頻器的給定頻率值u，這里采用多段速端子控制來實現(xiàn)。
(2)確定各模糊變量的隸屬函數(shù)
描述輸入e及輸出變量u的語言值的模糊子集為｛負大，負小，0，正小，正大｝簡記為｛NB，NS，O，PS，PB｝，設誤差e的論域為X，并將誤差大小量化為7個等級，即X=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝,控制量u的論域為Y，也量化為7個等級，即Y=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝。誤差的隸屬函數(shù)采用三角形，而控制量的隸屬函數(shù)采用單點形。
(3)建立模糊控制規(guī)則
根據(jù)現(xiàn)場操作人員手動調(diào)節(jié)供水壓力的經(jīng)驗，控制規(guī)則用語言描述如下：
若壓力低于給定值則提高變頻器輸出頻率，低得越多頻率提得越多；若壓力高于給定值則降低變頻器輸出頻率，高得越多頻率降得越多；若壓力等于給定值則變頻器輸出頻率不變。根據(jù)上述的手動控制規(guī)則得到模糊控制規(guī)則如下：
(4)離線計算模糊控制表
由上述的模糊控制規(guī)則采用minmax重心法推算出實際應用的模糊控制表及對應變頻器輸出頻率如表3—1所示。
在實時壓力控制過程中，上述控制表存在PLC的內(nèi)存中，PLC的高速輸入端口接收管網(wǎng)中的壓力值，并與給定值進行比較，計算偏差e，乘以相應的量化因子并經(jīng)取整處理變換成模糊變量E。根據(jù)對應的E通過查找控制表得到控制量U，然后控制多段速端子M11，M12，M13的不同接通組合，從而改變電機轉(zhuǎn)速達到控制水壓的目的。在實際運行中由于泵的特性，在轉(zhuǎn)速很低時泵的效率下降損耗增加，所以在PLC控制變頻器啟動后，當電機轉(zhuǎn)速達到額定值的30%時模糊控制器開始工作，即調(diào)節(jié)過程中電機的最低轉(zhuǎn)速為額定值的30%。
4結(jié)論
該系統(tǒng)充分利用S7200自身資源，利用高速輸入口來完成A/D轉(zhuǎn)換，利用變頻器的多段速輸入端子實現(xiàn)D/A，極大地降低設計成本。該系統(tǒng)設計是在原系統(tǒng)的基礎上進行的，因此，原系統(tǒng)的硬件都無需更換，只加上了控制器PLC和自行設計的由LM331組成壓頻轉(zhuǎn)換器。采用模糊控制方式設計調(diào)試十分方便，在現(xiàn)場只要合適的設定多段速頻率值，即可獲得滿意的控制效果，另外該系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)能力強，PLC和變頻器都具有標準的通訊接口，可方便的和各種通用組態(tài)軟件連接，進行現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)控。該系統(tǒng)投入運行半年來一直十分穩(wěn)定，故障率極低，而且操作容易，節(jié)能效果十分明顯。
［參考文獻］
［1］韓安榮通用變頻器及其應用［M］北京：機械工業(yè)出版社，2000，425－427
［2］王偉，李祖才，秦泗新變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)［J］自動化技術(shù)與應用，哈爾濱：2000，19(2)：26－27
［3］李士勇模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論［M］哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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