多泵聯(lián)控的智能切換決策及可靠性設計

杜琛鑫，葛笑寒

(1.三門峽職業(yè)技術學院智能制造學院，河南 三門峽 472000； 2.河南科技大學應用工程學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，多工藝恒壓控制系統(tǒng)多采用可編程邏輯控制器和變頻器相結合的模式[1]，基于偏差反饋自動調節(jié)泵的轉速，這種方案改善了傳統(tǒng)控制中工藝無法及時合理調整的問題，是目前比較理想的控制方案之一。

實際運行中，經(jīng)常需要一部分水泵工作在工頻狀態(tài)，造成該部分泵不間斷運行，而其他水泵長期閑置導致銹蝕[2]。不僅造成了設備資源的浪費，而且縮短了頻繁處于工作狀態(tài)中泵的使用壽命?，F(xiàn)有的切換方案多按照順序啟動，無法有效解決該類問題。同時，目前的優(yōu)化控制方案中，大多采用部分工頻后仍未滿足工藝條件時，啟動閑置變頻泵[3]，通過PID等控制算法使系統(tǒng)重新達到穩(wěn)定狀態(tài)[4]。該類方案多存在切換周期長、超調大的問題。

為了解決這些問題，采用可編程邏輯控制器和變頻器相結合的控制結構，通過邏輯設計，按需啟動或者停止變頻泵，同時通過軟件設計解決工頻時間長、切換周期長和超調大的問題。最后，在供暖恒壓恒液位多條件控制的實際應用中，驗證了方案的可行性，實現(xiàn)了泵的快速智能切換，有效降低了切換擾動。

1 控制系統(tǒng)

換熱站循環(huán)泵出口壓力恒壓控制系統(tǒng)與凝結水泵恒定液位控制系統(tǒng)構成基本相同。其監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機WINCC和西門子S7-300 PLC構成，選取變頻器作為執(zhí)行機構、壓力變送器(或液位傳感器)采集信號作為反饋。

控制系統(tǒng)中，控制目標為恒定壓力(或液位)值，控制對象為多泵機組，PLC和變頻器分別為控制器和執(zhí)行器。具體的控制過程：壓力(或液位)傳感器反饋信號給PLC，經(jīng)過智能切換策略輸出信號給變頻器，變頻器作為執(zhí)行機構，控制各泵的運行并且將各泵的運行狀態(tài)反饋給PLC，通過WINCC的實時曲線畫面，能夠實時觀測到控制效果。變頻器有本地和遠程兩種工作狀態(tài)，當泵處于本地狀態(tài)時，控制策略剔除該變頻器，該變頻器只能在現(xiàn)場通過端子和旋鈕操作。遠程分為多泵聯(lián)控自動狀態(tài)和手動狀態(tài)：手動狀態(tài)下，可以手動在WINCC上操作調節(jié)頻率；自動狀態(tài)時進入智能策略控制。遠程狀態(tài)下，為防止信號中斷、保證系統(tǒng)運行安全，運行時一般令一臺泵處于本地的定頻運行狀態(tài)，保證基礎出力和安全，其余各泵處于遠程狀態(tài)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)電路

采用一拖一的控制方式保證系統(tǒng)的可靠性，即一臺變頻器控制一臺電機，這樣可以使多臺泵均處于變頻狀態(tài)，消除部分泵長期處于工頻運行的弊端[5]。變頻器的控制方式分為本地和遠程兩種：本地狀態(tài)時，LI1設置為啟動/停止，可本地手動控制變頻器的啟動和停止；遠程控制方式下，變頻器命令通道由變頻器通信卡控制，LI2和LI4并聯(lián)，能夠同時切換命令通道和給定通道。單臺的主電路和控制電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路

1.2 可靠性設計

為確保系統(tǒng)可靠運行，需要保證管網(wǎng)的壓力維持在一定范圍內。若管網(wǎng)壓力過低，會導致空氣進入管網(wǎng)，管道會因為氧化反應而被腐蝕；管網(wǎng)壓力過高會使管道爆裂，也不利于系統(tǒng)的安全可靠。考慮到壓力的限制范圍，若系統(tǒng)處于遠程狀態(tài)時發(fā)生了通信故障，需要保證一臺泵處于工作的狀態(tài)，這樣就能確保管網(wǎng)的壓力在正常工作范圍內，保證了系統(tǒng)的安全可靠[6]。另一方面，當變頻器出現(xiàn)故障時，圖2所示的RIB、RIC可以起到報警保護作用：即變頻器正常工作時兩者為斷開狀態(tài)，故障時兩者閉合，繼電器通電吸合報警，保證變頻故障時系統(tǒng)能夠快速反應和及時報警。

2 智能切換決策

基于泵的運行時間以及啟停頻次制定切泵策略，是解決變頻調速恒壓、恒液位類系統(tǒng)資源利用不均的關鍵。本系統(tǒng)共有3種控制方式，分別為本地控制(現(xiàn)場端子旋鈕控制)、遠程手動控制(即將現(xiàn)場端子旋鈕功能轉移到上位機上)和遠程自動控制(由智能切換決策進行控制)。

2.1 切換方案

當工藝不滿足生產(chǎn)要求時，判斷是否符合增泵、減泵條件。若滿足增泵條件，啟動遠程未開啟泵中運行時間最短的泵，若多泵運行時間接近，選取啟停頻次最少的泵啟動。當滿足減泵條件時，停止所有遠程開啟泵中運行時間最長的泵，當有多泵運行時間接近時，選取啟停頻次最多的泵停止。

啟動泵時，輸出采用組共用的PID輸出，同時設置了合理的起動斜坡，若需求缺口不是很大，輸出會隨著新增泵頻率的上升而下降，所有遠程啟動的泵可以保證小超調的同時，相對快速的達到穩(wěn)定的同一狀態(tài)；若缺口很大，系統(tǒng)會自動快速上升到目前輸出頻率，然后重復上述過程。

停止泵時，輸出仍采用共用的PID輸出，設置合理的停車斜坡，如果控制要求波動不是很大，輸出會隨著減泵的頻率下降而略有上升，所有遠程啟動的泵可以保證很小反向超調的同時，相對快速地達到穩(wěn)定的同一狀態(tài)，如果波動較大，系統(tǒng)會快速關閉泵并重復上述過程。增減泵策略如圖3所示。

圖3 泵切換策略

2.2 增泵、減泵條件

當需要改變運行泵的數(shù)量時，需要滿足增、減泵條件[7]。增泵需要同時滿足2個判別條件：變頻器工作在上限切換頻率；變頻器維持上限切換頻率一定時長。同理，減泵也需要同時滿足2個判別條件：變頻器工作在下限切換頻率；變頻器維持在下限頻率一定時長。

當任何一臺水泵出現(xiàn)故障時，在自控回路中屏蔽該泵，等同于該泵處于本地狀態(tài)，不參與自動切換判斷，保證快速穩(wěn)定的工藝要求?？刂粕舷拊O置時，一般要等于或略小于輸出上限?？刂葡孪抟话阍O置在30～40 Hz，即采用最少的泵滿足工藝要求，泵數(shù)量控制如圖4所示。

圖4 泵數(shù)量控制

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)智能切換決策基于泵切換方案和增、減泵條件，同時，泵每次的啟停切換均不是立刻進行的，需要延時一段時間后仍不滿足條件時，才會采取切換動作，以防止變頻泵的頻繁啟停。編程時，對于本地狀態(tài)和故障狀態(tài)的泵進行屏蔽，其余滿足判斷條件的泵根據(jù)冒泡法進行初步篩選，必要時再通過啟停頻次進行二次選擇。具體PLC程序流程圖如圖5所示。

圖5 PLC程序流程圖

4 結語

本文選取西門子S7-300 PLC作為控制器，依據(jù)增泵條件和減泵條件，結合起動停車斜坡設置，解決了變頻恒壓、恒液位系統(tǒng)多泵調控問題，避免了設備資源利用不均的浪費問題，同時能夠縮短泵切換時長和減小擾動。目前系統(tǒng)已在某飛機制造廠的換熱站改造中運行，功能完備，長期處于穩(wěn)定運行中，反饋信息優(yōu)良，進一步驗證了本方案的正確性和有效性。