LM在变频恒压供水系统中的应用———LM在变频恒压供水系统中的应

　1 引言
　　小区供水系统用于对小区内生活、消防和喷淋用水的自动供给，是住宅小区公用设施的重要组成部分。供水系统通过对水泵、阀门等设备的开、关和联锁来实现小区的正常供水，从而达到居民正常生活和人员、设备安全的目的。
　　我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善给水管网的供水环境，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速和多台水泵的投入和退出，使管网主干出口端保持在恒定的设定压力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。

2 水泵变频调节原理
　　由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20％～50％，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。
　　根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间的关系为：
  
  　　式中P1、H1、Q1为转速N1的功率、扬程、流量；P2、H2、Q2为转速N2的功率、扬程、流量。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。

3 PID调节的基本原理
　　在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
　　3.1  比例（P）控制
　　比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
　　3.2  积分（I）控制
　　在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
　　3.3  微分（D）控制
　　在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
　　自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

4 变频恒压供水系统设计
　　传统的供水模式采用屋顶水箱和水泵联合供水，水质容易受到二次污染，供水不安全。在全自动恒压变频供水装置中直接提升供水，卫生、安全、可靠，用户随时都能饮用新鲜水，避免了二次污染，且设备占地小、性能稳定、能耗低等优点。我们对运行环境进行了现场考察和反复研究，在可靠性、稳定性、方便性等方面做了大量工作，采用先进、实用、可靠的PLC做控制，提出了基于和利时公司LM的控制方案。
　　变频恒压供水系统主要由两部分组成，机械系统和控制系统。机械系统主要由水泵、压力罐和管路组成。控制系统主要由可编程控制器（PLC）、变频器、智能压力表、继电器等组成。系统的结构图如图1所示：
  
  图1系统结构图
  　　该系统有6路数字量输入、6路AC220V数字量输出、1路4~20mA的变频器频率信号和1路4~20mA的压力信号，同时对外输出4~20mA的变频器频率信号，因此，本系统配置1个CPU模块LM3105、1个模拟量输入模块LM3310和1个模拟量输出模块LM3320。系统的I/O表如表1所示：
  
  5 工艺流程控制
　　整个系统的控制对象是两台水泵，通过出口压力决定投入泵的数量、变工频切换和变频器的工作频率。PLC通过采集出口压力和变频器的当前频率对频率做反向的PID调节运算。PID参数的整定对于系统输出的稳定性、准确性和快速性起到至关重要的作用。PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法；二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。该系统采用的是工程整定方法中的一种临界比例法。临界比例度法是采用纯比例将系统投入自动，此时积分时间放最大，微分时间放0。逐渐减小比例度，使系统刚刚出现等幅振荡，记下这时的比例度Pbc和振荡周期Tc， PID的比例度和积分时间P=2.2PbcT=0.85Tc。系统的控制流程图如图2所示：
  
  图2控制流程图
  
6 PLC控制系统的优点

  
　　自动化供水系统选用和利时公司的小型一体化PLC取代了原系统继电器控制回路，减少了能源损耗，节省了人力资源，本系统有以下优点。
　　采集精度、分辨率高
　　和利时公司LM模拟量模块误差在0.5%以内，采用12位精度的数据寄存器。
　　采集速度快
　　和利时公司LM模拟量模块采集周期小于6毫秒。
　　可靠性高
　　本系统的控制核心是和利时公司LM，能够在恶劣的环境中长期、可靠、无故障地运行，接线简单，维护方便，隔离性好，抗腐蚀能力强，能够适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔（MTBF）大于15年。
　　功能强大
　　和利时公司LM的编程语言遵从IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。除了具有传统的指令表、梯形图和功能块图等编程功能外，还具有结构化文本和顺序功能图等编程功能。和利时公司的PLC系统提供了多种应用功能模块，包括各种通讯功能模块、可以具体到年月日和时刻的多种定时器和超长时间继电器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。

7 结束语
　　基于G3系列PLC的自动化供水系统，大大降低了供水的能耗，节省了人力资源，是供水系统的发展趋势。

参 考 文 献
[1] 《LM硬件手册》，杭州和利时自动化有限公司，2006
[2] 《LM软件手册》，杭州和利时自动化有限公司，2006
[3] 《LM指令与功能块手册》，杭州和利时自动化有限公司，2006