杜琛鑫，葛笑寒

(1.三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000； 2.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，河南 三門(mén)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(jié)合的模式[1]，基于偏差反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，這種方案改善了傳統(tǒng)控制中工藝無(wú)法及時(shí)合理調(diào)整的問(wèn)題，是目前比較理想的控制方案之一。

實(shí)際運(yùn)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(yùn)行，而其他水泵長(zhǎng)期閑置導(dǎo)致銹蝕[2]。不僅造成了設(shè)備資源的浪費(fèi)，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(dòng)，無(wú)法有效解決該類問(wèn)題。同時(shí)，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(shí)，啟動(dòng)閑置變頻泵[3]，通過(guò)PID等控制算法使系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[4]。該類方案多存在切換周期長(zhǎng)、超調(diào)大的問(wèn)題。

為了解決這些問(wèn)題，采用可編程邏輯控制器和變頻器相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)邏輯設(shè)計(jì)，按需啟動(dòng)或者停止變頻泵，同時(shí)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)解決工頻時(shí)間長(zhǎng)、切換周期長(zhǎng)和超調(diào)大的問(wèn)題。最后，在供暖恒壓恒液位多條件控制的實(shí)際應(yīng)用中，驗(yàn)證了方案的可行性，實(shí)現(xiàn)了泵的快速智能切換，有效降低了切換擾動(dòng)。

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(jié)水泵恒定液位控制系統(tǒng)構(gòu)成基本相同。其監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)WINCC和西門(mén)子S7-300 PLC構(gòu)成，選取變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓力變送器(或液位傳感器)采集信號(hào)作為反饋。

控制系統(tǒng)中，控制目標(biāo)為恒定壓力(或液位)值，控制對(duì)象為多泵機(jī)組，PLC和變頻器分別為控制器和執(zhí)行器。具體的控制過(guò)程：壓力(或液位)傳感器反饋信號(hào)給PLC，經(jīng)過(guò)智能切換策略輸出信號(hào)給變頻器，變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制各泵的運(yùn)行并且將各泵的運(yùn)行狀態(tài)反饋給PLC，通過(guò)WINCC的實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)到控制效果。變頻器有本地和遠(yuǎn)程兩種工作狀態(tài)，當(dāng)泵處于本地狀態(tài)時(shí)，控制策略剔除該變頻器，該變頻器只能在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)端子和旋鈕操作。遠(yuǎn)程分為多泵聯(lián)控自動(dòng)狀態(tài)和手動(dòng)狀態(tài)：手動(dòng)狀態(tài)下，可以手動(dòng)在WINCC上操作調(diào)節(jié)頻率；自動(dòng)狀態(tài)時(shí)進(jìn)入智能策略控制。遠(yuǎn)程狀態(tài)下，為防止信號(hào)中斷、保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，運(yùn)行時(shí)一般令一臺(tái)泵處于本地的定頻運(yùn)行狀態(tài)，保證基礎(chǔ)出力和安全，其余各泵處于遠(yuǎn)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(tái)變頻器控制一臺(tái)電機(jī)，這樣可以使多臺(tái)泵均處于變頻狀態(tài)，消除部分泵長(zhǎng)期處于工頻運(yùn)行的弊端[5]。變頻器的控制方式分為本地和遠(yuǎn)程兩種：本地狀態(tài)時(shí)，LI1設(shè)置為啟動(dòng)/停止，可本地手動(dòng)控制變頻器的啟動(dòng)和停止；遠(yuǎn)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(shí)切換命令通道和給定通道。單臺(tái)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(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，需要保證管網(wǎng)的壓力維持在一定范圍內(nèi)。若管網(wǎng)壓力過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入管網(wǎng)，管道會(huì)因?yàn)檠趸磻?yīng)而被腐蝕；管網(wǎng)壓力過(guò)高會(huì)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(yuǎn)程狀態(tài)時(shí)發(fā)生了通信故障，需要保證一臺(tái)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(nèi)，保證了系統(tǒng)的安全可靠[6]。另一方面，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，圖2所示的RIB、RIC可以起到報(bào)警保護(hù)作用：即變頻器正常工作時(shí)兩者為斷開(kāi)狀態(tài)，故障時(shí)兩者閉合，繼電器通電吸合報(bào)警，保證變頻故障時(shí)系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)和及時(shí)報(bào)警。

2 智能切換決策

基于泵的運(yùn)行時(shí)間以及啟停頻次制定切泵策略，是解決變頻調(diào)速恒壓、恒液位類系統(tǒng)資源利用不均的關(guān)鍵。本系統(tǒng)共有3種控制方式，分別為本地控制(現(xiàn)場(chǎng)端子旋鈕控制)、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制(即將現(xiàn)場(chǎng)端子旋鈕功能轉(zhuǎn)移到上位機(jī)上)和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制(由智能切換決策進(jìn)行控制)。

2.1 切換方案

當(dāng)工藝不滿足生產(chǎn)要求時(shí)，判斷是否符合增泵、減泵條件。若滿足增泵條件，啟動(dòng)遠(yuǎn)程未開(kāi)啟泵中運(yùn)行時(shí)間最短的泵，若多泵運(yùn)行時(shí)間接近，選取啟停頻次最少的泵啟動(dòng)。當(dāng)滿足減泵條件時(shí)，停止所有遠(yuǎn)程開(kāi)啟泵中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的泵，當(dāng)有多泵運(yùn)行時(shí)間接近時(shí)，選取啟停頻次最多的泵停止。

啟動(dòng)泵時(shí)，輸出采用組共用的PID輸出，同時(shí)設(shè)置了合理的起動(dòng)斜坡，若需求缺口不是很大，輸出會(huì)隨著新增泵頻率的上升而下降，所有遠(yuǎn)程啟動(dòng)的泵可以保證小超調(diào)的同時(shí)，相對(duì)快速的達(dá)到穩(wěn)定的同一狀態(tài)；若缺口很大，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)快速上升到目前輸出頻率，然后重復(fù)上述過(guò)程。

停止泵時(shí)，輸出仍采用共用的PID輸出，設(shè)置合理的停車(chē)斜坡，如果控制要求波動(dòng)不是很大，輸出會(huì)隨著減泵的頻率下降而略有上升，所有遠(yuǎn)程啟動(dòng)的泵可以保證很小反向超調(diào)的同時(shí)，相對(duì)快速地達(dá)到穩(wěn)定的同一狀態(tài)，如果波動(dòng)較大，系統(tǒng)會(huì)快速關(guān)閉泵并重復(fù)上述過(guò)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(dāng)需要改變運(yùn)行泵的數(shù)量時(shí)，需要滿足增、減泵條件[7]。增泵需要同時(shí)滿足2個(gè)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(shí)長(zhǎng)。同理，減泵也需要同時(shí)滿足2個(gè)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(shí)長(zhǎng)。

當(dāng)任何一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，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(dòng)切換判斷，保證快速穩(wěn)定的工藝要求?？刂粕舷拊O(shè)置時(shí)，一般要等于或略小于輸出上限?？刂葡孪抟话阍O(shè)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(shí)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(shí)，泵每次的啟停切換均不是立刻進(jìn)行的，需要延時(shí)一段時(shí)間后仍不滿足條件時(shí)，才會(huì)采取切換動(dòng)作，以防止變頻泵的頻繁啟停。編程時(shí)，對(duì)于本地狀態(tài)和故障狀態(tài)的泵進(jìn)行屏蔽，其余滿足判斷條件的泵根據(jù)冒泡法進(jìn)行初步篩選，必要時(shí)再通過(guò)啟停頻次進(jìn)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(jié)語(yǔ)

本文選取西門(mén)子S7-300 PLC作為控制器，依據(jù)增泵條件和減泵條件，結(jié)合起動(dòng)停車(chē)斜坡設(shè)置，解決了變頻恒壓、恒液位系統(tǒng)多泵調(diào)控問(wèn)題，避免了設(shè)備資源利用不均的浪費(fèi)問(wèn)題，同時(shí)能夠縮短泵切換時(shí)長(zhǎng)和減小擾動(dòng)。目前系統(tǒng)已在某飛機(jī)制造廠的換熱站改造中運(yùn)行，功能完備，長(zhǎng)期處于穩(wěn)定運(yùn)行中，反饋信息優(yōu)良，進(jìn)一步驗(yàn)證了本方案的正確性和有效性。