基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（寧波大紅鷹學(xué)院機(jī)電學(xué)院，浙江，寧波 315000）

1 概述

可編程邏輯控制器（PLC）及其網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱之一，由于近年來(lái)PLC的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、圖形顯示、聯(lián)網(wǎng)通信功能得到了很大的加強(qiáng)，使得PLC得以向過(guò)程控制滲透和發(fā)展。過(guò)程控制通常是指工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。在過(guò)程控制領(lǐng)域，PID 是最主要的調(diào)節(jié)器之一，其原理簡(jiǎn)單、適用性和魯棒性強(qiáng)，最突出的特點(diǎn)是它不依賴于對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，因此可以解決工業(yè)過(guò)程精確建模時(shí)的困難。

而變頻恒壓供水系統(tǒng)存在如下不足：

（1）山于供水系統(tǒng)出口壓力與實(shí)際用水需求存在較大的滯后性，供水系統(tǒng)存在較大的周期性壓力波動(dòng)。

（2）變頻范圍只有在離心泵的特性曲線最佳工作范圍內(nèi)，也就是下調(diào)頻率10%-30%才能顯示出其最大的節(jié)能效益，如再往下調(diào)頻率，就會(huì)出現(xiàn)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)而不出水的情況，即超出了離心泵的極限工作范圍。

（3）在深夜用水量很小的時(shí)候，水泵在變頻器控制下較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)水泵機(jī)械工作不利，同時(shí)耗能增加，約為額定功率的25%。針對(duì)上述問(wèn)題，以PLC為核心，采用模糊控制技術(shù)和壓力補(bǔ)償策略實(shí)現(xiàn)的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)較好地解決了上述問(wèn)題。

2 系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)原理

該系統(tǒng)由多臺(tái)水泵機(jī)組成（根據(jù)需要）、一臺(tái)泵類(lèi)專(zhuān)用變頻器、一臺(tái)可編程控制器，再家加上電磁閥、壓力傳感器等組成，水泵機(jī)組中，根據(jù)需要可以選取多種流量的水泵，以滿足不同時(shí)段的需要。

PLC根據(jù)輸入量與設(shè)定量的差及其變化率，通過(guò)模糊控制器的處理，輸出模擬信號(hào)至變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)管道內(nèi)的實(shí)際壓力值趨向于設(shè)定壓力值，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。對(duì)于多臺(tái)泵調(diào)速的方式，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算判定目前是否已達(dá)到設(shè)定壓力，決定是否增加(投入)或減少(撤出)水泵。采用變頻器循環(huán)工作方式，多臺(tái)電機(jī)均可設(shè)置在變頻方式下工作。

當(dāng)變頻器工作在50Hz 而管道壓力仍低于設(shè)定壓力的下限時(shí)，PLC便自動(dòng)將該泵切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)自動(dòng)低速啟動(dòng)第一臺(tái)水泵，控制其變頻運(yùn)行，直到達(dá)到設(shè)定壓力；當(dāng)變頻器工作30Hz 管道壓力仍處于高限時(shí)，一方面PLC自動(dòng)控制停掉工頻運(yùn)行電機(jī)；另一方面，將適當(dāng)提升變頻器工作頻率，以保證壓力的穩(wěn)定，然后進(jìn)入正常調(diào)整狀態(tài)。當(dāng)只有一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行且處于變頻方式而水壓仍處于超限時(shí)，則切換到小流量水泵進(jìn)行變頻運(yùn)行 (通常稱(chēng)為夜間模式)。

在變頻壓頻切換時(shí)，對(duì)設(shè)定的壓力值自動(dòng)作適當(dāng)調(diào)整，以避免在變頻壓頻之間頻繁切換。另外，也可通過(guò)比例閥進(jìn)行管道壓力調(diào)整，讓電機(jī)工作于高效范圍，同時(shí)減小管道壓力波動(dòng)。

系統(tǒng)硬件包括以下幾個(gè)部分：PLC處理器、基于Device Net 的設(shè)備網(wǎng)、Flex I/O模塊、主回路、控制器回路、變頻器及操作終端等。系統(tǒng)原理圖如下圖1 所示。

3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 PLC控制系

根據(jù)上述原理分析，可以選用三菱Q系列的可編程序控制器，該系列PLC具有體積小、性能好、模塊組合方便等特點(diǎn)。根據(jù)需要，CPU 模塊可選 Q OOJ CPU 制系統(tǒng)模 塊 ，再 增 加 QX10、QY10、Q64DA、Q64AD 等模塊就可完成相應(yīng)的工作，PLC控制系統(tǒng)如圖2。

經(jīng)電容的劇烈變化電流中的高頻成分將被抑制掉，電源電壓波動(dòng)和瞬時(shí)變化也被抑制。多點(diǎn)接地法不但使放大器本身產(chǎn)生極小的噪聲，而且使放大器對(duì)噪聲有了良好的抑制能力，大大降低系統(tǒng)噪聲。

此種接地方式可有效地防止因地線電感及電容引起的干擾，但由于接地點(diǎn)間存在電位差，會(huì)使其噪聲較大，不適合于低頻工作，適用于10MHz 以上的方式。在多點(diǎn)接地方式的多級(jí)電路中，必須注意排列各中一元電路的接地順序，其原則是應(yīng)保證地線電流由小信號(hào)單元流向大信號(hào)單元，否則，就會(huì)引起干擾。

3.1 減小公共阻抗中的電感成分

盡可能降低公共阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗變頻器的噪聲。公共阻抗除了電阻外，還包含有容抗和感抗。由于噪聲往往具很高的頻率成分，所以，對(duì)于公共阻抗就不應(yīng)單純地只看到它的電阻成分。常用的電線、印刷板上的印刷線，在高頻時(shí)其等效電路是由電阻和電感串聯(lián)而成的，頻率越高，感抗成分占整個(gè)阻抗的比例就越大。在電路中電感產(chǎn)生的噪聲電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻成分所產(chǎn)生的噪聲電壓。

無(wú)論是導(dǎo)線還是印刷線，其形成的公共阻抗中，電感成分是產(chǎn)生噪聲電壓的主要因素，所以在布線和設(shè)計(jì)印刷線路板時(shí)，要盡量降低作為公共阻抗的濘線或印刷線所含的電感量。對(duì)于地線可選用盡可能粗的濘線，有條件時(shí)可采用電感量很小的銅板條；印刷線路的地線也要盡量做到短而粗，必要時(shí)可用大體積的銅箔作為地線來(lái)降低其阻抗。

結(jié)語(yǔ)

PLC作為在工業(yè)控制中占主要地位的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、監(jiān)視和控制，非常適合于生產(chǎn)過(guò)程中的工業(yè)控制。這里使用PLC及其I/O擴(kuò)展模塊在自行設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)中進(jìn)行PID 控制，獲得了滿足系統(tǒng)要求的控制參數(shù)，并通過(guò)De-vice Net 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉且穩(wěn)定性較高。

[1]阮友德，2l 世紀(jì)高等職業(yè)教育機(jī)電類(lèi)規(guī)劃教材[M].北京：人民郵電出版社.

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