PLC在恒压供水泵站控制中的应用

    一、恒压供水泵站的构成及运行原理    图8-5为未使用可编程控制器的恒压供水泵站的构成示意图。图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口处。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器一般为模拟量传感器，将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。    调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：
    图8-5    使用调节器的变频恒压供水系统的基本构成    (1)设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。调节器给定值可以以数字量或模拟量方式设定。    (2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置称为反馈，调节器是反馈的接收点。    (3)根据给定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定值大于实测值，说明系统水压低于期望水压，要加大水泵电动机的转速，如水压高于期望水压，要降低水泵电动机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器将对给定值与实测值之差依一定规律做出处理。比如，调节器的调节规律设为比例积分微分调节规律，调节器也就称为PID调节器。调节器的调节参数，如P、I、D参数值则是由使用者视现场情况设定的。    调节器的输出信号一般是模拟信号，4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备是变频器及水泵电动机。    交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，我国是每秒50周。而交流电动机的同步转速为
式中N1——同步转速，r/min；    f1——定子频率，Hz;    P——电动机的磁极对数。及异步电动机转速
式中s-异步电机转差率，s=(N1-N)/N1，一般小于3%。    N1及N均与送入电机的电流频率f成正比或接近于正比例，也就是说，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，变频对于交流电动机的调速来说是十分合适的。而变频器正是将电网送来的频率恒定不变的交流电变换为频率依需要变化的交流电的动力设备。    现以图8-6所示的交直交变频器电路的构成说明变频器的基本结构。图中变频器的主电路由整流器、逆变器及中间环节构成。其中整流器的任务是将电网提供的不变频率交流电整成直流。中间环节完成整流输出直流的平波及储能等工作。逆变器则按要求将中间环节的平稳直流变换成为可调频率的交流电。图8-6中控制电路则是控制整流及逆变的电子电路。连接到控制电路的运行指令则是控制信号。这个信号可以有多种形式，如网络信号，这是一种数字信号，或者是由变频器面板上输入的操作信号，这也是数字信号。或者是从变频器的控制端子上送入的模拟量信号。通常恒压泵站中用得较多的就是模拟量信号。图8-5中从调节器中送入变频器的控制信号就可以是模拟信号。
    图8-6    交-直-交变频器的基本结构    了解了变频器的工作原理后，图8-5中的恒压泵站的调节过程可以如下表述：当用户用水量增加使供水网管的水压下降时。压力传感器输出的反映水压变化的模拟量电压或电流减少。这个量送入调节器与压力给定值比较后使调节器输出的模拟量调节信号电压或电流增加，这就使变频器的输出频率上升，使水泵电动机的转速增加，从而使水管网中的水压上升以满足用水量的上升。相反的调节过程读者可以自行分析。    图8-5中的恒压供水系统只设了一台水泵，但一般需设多台水泵及电动机，这比设单台水泵及电动机节能而可靠，配单台电动机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的，电动机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电动机都有维修的时候，备用泵是必要的。变频器的配备也有两种方案，一是为每台水泵电动机配一台变频器，这当然好，电动机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电动机配一台变频器，变频器与电动机间需切换。供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。    综合多台水泵组成的恒压泵站的情况，水泵电动机的切换及控制，以及变频器的切换及控制都将是复杂的。此外泵站还有其他一些逻辑控制的任务。因而采用PLC承担这些逻辑控制任务是合适的。而且，更重要的是PLC配上了模拟量单元后可以完成调节器的任务，即恒压给定值与传感器实测值间的运算及调节，以及对变频器的控制，都可由PLC承担。采用可编程控制器的恒压供水泵站自构句成图可以经图8-5改绘为图8-7所示。可编程配用的模拟量处理模块已绘在图中了。
    图8-7    采用PLC的变频恒压供水系统构成    二、泵站的设置及系统控制要求    以下介绍一个由三台泵组构成的生活／消防双恒压无塔供水泵站的实例。如图8-8所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的高、低水位信号送给PLC作为水位控制及报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵提供消防用水，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。
    图8-8    生活及消防双恒压供水系统构成图    对三泵生活／消防双恒压供水系统的基本要求是：    (1)生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。    (2)三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。    (3)在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。    (4)三台泵在启动时都要有软启动功能。    (5)要有完善的报警功能。    (6)泵操作设有手动控制功能，手动在应急或检修时使用。    三、PLC的选型及I/O地址分配    根据图8-8及以上控制要求，统计系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。故选用带有模拟量输入及输出接口的PLC CPU224XP，扩展EM222（8继电器输出）一台组成系统。控制系统的输入/输出信号名称、代码及拟定的PLC地址编号如表8-4所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。火灾传感器信号接在I0.0，发生火灾时置1。    表8-4    输入/输出点代码及地址编号

    四、电气控制系统原理图    电气控制系统原理图包括主电路图、控制电路图及PLC接线图。    1．电气控制系统主电路    图8-9为电气控制系统主电路图。三台电动机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制Ml、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电动机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为通用变频器。
    图8-9    电气系统主电路    2．电气控制系统控制电路    图8-10为电气系统控制电路图。图中SA为手动／自动转换开关，SA在1位置为手动控制状态，在2位置为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1～SB8控制三台泵的启／停和电磁阀YV2的通／断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
    图8-10    电气控制系统控制电路    图8-10中的HL10为自动运行状态电源指示灯。其余器件均可在表8-4中查找。KA1在变频器频率复位时提供一个触点信号。图8-10中的Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.1及Q2.0～Q2.1为PLC的输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合PLC接线图一起读图。    3．PLC接线图    图8-11为PLC及扩展模块接线图。图中CPU224XP连接的远程压力信号即为水压传感器模拟量信号，CPU224XP输出模拟电压信号为变频器控制信号。图8-11中其余输入器件可见表8-4。    图8-11已作了简化处理，图中忽略了直流电源的容量，电源方面的抗干扰措施，输入/输出端口的保护及接地等内容。
    图8-11    恒压供水系统PLC及扩展模块接线图    五、系统程序设计    硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现。恒压供水泵站大多时间是自动运行，只有故障应急时才手动运行。自动运行的调控有两条主线，其一是水管内水压的变化控制变频器的频率，进而控制工作水泵的数量。这主要是通过A/D、D／A转换及PID控制实现的。体现在程序上，A/D、D/A转换要有AIW及AQW的取用及传送。PID控制则要有PID指令的参数准备及处理过程。PID指令可完成过程量给定值与过程量现值的比较并对差值进行PID处理的任务。也即完成本章第一节所叙泵站恒压原理的根本调控。    泵站调控的第二条主线是关于泵组的管理的。前边已经说过，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵或第三台泵。由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，还规定任一台泵连续运行不得超过3小时，因此每次需启动新泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。考虑到泵站有三台水泵，每台泵有变频拖动及工频拖动两种方式。如何实现泵组的合理轮换必须有个章法。为了程序表达方便，本例中给各泵编号，设置变频运行泵号寄存器，且在每次需要泵切换时，用将运行泵号加1的方法实现变频泵的循环控制（泵号3再加1等于0），再配合工频泵的总数管理实现全部泵组的轮换工作。    泵组管理中判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。同理，判断需减泵的标准是变频器的输出频率达到设定的下限值。通过比较指令不难实现以上任务。为了判断变频器工作频率达上下限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上下限情况．在程序中考虑采取时闯滤波。具体操作时可由变频器频率输出端取得频率信号，但较麻烦。本例中拟以PID调节输出频率值代替变频器现时频率计算确定增减泵信号。    由于模拟量单元及IID调节都需要编制初始化及中断程序。本程序拟分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在子程序中完成，可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制也是合理的。主程序承担的任务较多，如泵切换信号的生成。泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序，生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。在本系统PID中，只是用了比例和积分控制。其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为：增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.2s；积分时间Ti=30min。    程序中使用的PLC元件及功能如表8-5所列。双恒压供水系统的梯形图及程序注释如图8-12所示。读图时请结合表8-5内容进行。
    图8-12    双恒压供水系统梯形图    表8-5    程序中使用的PLC机内器件及功能