1前言
    在目前的城市供水系統(tǒng)和小區(qū)高樓供水系統(tǒng)中還有很多采用高位水塔或直接水泵加壓供水方式，在這種供水方式中由于揚(yáng)水較高且電機(jī)一直高速運(yùn)行造成較大的電能消耗，目前的水費(fèi)成本中，電費(fèi)比例達(dá)50%以上。
    本文針對(duì)黑龍江東部地區(qū)某大型泵站供水系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用PLC和變頻器組成恒壓供水系統(tǒng)，取代了原來(lái)的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水壓力的自動(dòng)控制。而且在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上只用了極少的投資即完成了項(xiàng)目的改造，該系統(tǒng)可以明顯節(jié)約電能并使管網(wǎng)水壓波動(dòng)較小，從而降低了設(shè)備運(yùn)行的故障率和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2水泵特性分析及節(jié)能原理
   泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、揚(yáng)程H及泵的軸功率N的關(guān)系如下式所示：

    式(2—1)表明，泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輔功率P(kW)可按式(2—2)計(jì)算：

    圖2—1是泵的流量Q與揚(yáng)程H的關(guān)系曲線。圖中，曲線①為泵在轉(zhuǎn)速n1下的揚(yáng)程—流量(H—Q)的特性；曲線⑤為泵在轉(zhuǎn)速n2下的揚(yáng)程—流量(H—Q)的特性；曲線②為泵在轉(zhuǎn)速n1下的功率—流量(P—Q)的特性；曲線③、④為管阻特性。
    假設(shè)泵的標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)A點(diǎn)的效率最高，輸出流量Q為100%，此時(shí)軸功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當(dāng)流量從Q1減小到Q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)閥門方法(相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力)，使管阻特性從曲線③變到曲線④，系統(tǒng)由原來(lái)的工作點(diǎn)A變到新的工作點(diǎn)B運(yùn)行。此時(shí)，泵揚(yáng)程增加，軸功率P2與面積BH2OQ2成正比。如果采用變頻器控制方式，泵轉(zhuǎn)速由n1降到n2，在滿足同樣流量Q2的情況下，揚(yáng)程H3大幅降低，軸功率P3與面積CH3OQ3成正比。軸功率P3與P1、P2之和相比較，將顯著減小，節(jié)省的功率損耗ΔP與面積BH2H3C成正比，節(jié)能效果十分顯著［1］。

3模糊變頻恒壓供水系統(tǒng)
    恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，利用PLC根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)，通過(guò)模糊推理運(yùn)算，控制變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。變頻恒壓供水系統(tǒng)如圖3—1所示。根據(jù)供水壓力要求，采用一用一備變頻恒壓供水系統(tǒng)。



3.1系統(tǒng)主電路
    一用一備變頻器恒壓供水系統(tǒng)就是一臺(tái)水泵供水、另一臺(tái)水泵備用，當(dāng)供水泵出現(xiàn)故障或需要定期檢修時(shí)，備用泵馬上投入，不使供水中斷。兩臺(tái)水泵均為變頻器驅(qū)動(dòng)，并且當(dāng)變頻器故障時(shí)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)變頻/工頻切換。主電路如圖3—2所示。圖中，M1為主泵電機(jī)，M2為備用泵電機(jī)，QF為低壓斷路器，KM0，KM1，KM2，KM3，KM4為接觸器，F(xiàn)R1，F(xiàn)R2為熱繼電器［2］。



3.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)主要由S7200、CPU214的PLC一臺(tái)及TD200文本顯示器，臺(tái)達(dá)VFD220A23A變頻器，D150型壓力變送器，流量計(jì)及檢測(cè)水箱液位的差壓變送器，V/F轉(zhuǎn)換電路，兩臺(tái)22kW籠型三相異步電動(dòng)機(jī)?？刂齐娐啡鐖D3—3所示。當(dāng)PLC控制變頻器啟動(dòng)后壓力表檢測(cè)出管網(wǎng)壓力為0～10V模擬電壓信號(hào)，經(jīng)由LM331組成的V/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為0～2kHz的頻率信號(hào)，送入PLC的高速輸入端口作為實(shí)際壓力值。PLC接收到壓力值后與給定壓力進(jìn)行比較，然后通過(guò)模糊推理運(yùn)算，控制變頻器的多段速輸入端子M11、M12、M13的通斷，變頻器依據(jù)事先的設(shè)定頻率，控制水泵進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，從而控制供水壓力。



    PLC同時(shí)還完成控制變頻器啟動(dòng)和接收變頻器故障報(bào)警信號(hào)，通過(guò)水池內(nèi)的差壓變送器自動(dòng)監(jiān)測(cè)水池中的水位，使變頻器控制水泵電動(dòng)機(jī)在無(wú)水后自動(dòng)停機(jī)。另外變頻器本身具有過(guò)壓、過(guò)流、斷相、過(guò)熱保護(hù)和故障顯示等功能。TD200文本顯示器主要用來(lái)完成模糊控制量化因子、采樣周期的設(shè)定，實(shí)時(shí)供水壓力顯示，壓力設(shè)定值顯示等功能。
3.3水壓模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    在改造之前，該系統(tǒng)采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)控制，操作人員根據(jù)管道壓力表的讀數(shù)，手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的給定頻率，從而提高或降低管網(wǎng)水壓，達(dá)到恒壓供水的目的。由于用戶較多并且用水時(shí)間不確定，管網(wǎng)水壓波動(dòng)較大，數(shù)學(xué)模型很難確定，而模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，因此本系統(tǒng)控制算法采用模糊控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下3部分［3］：
    (1)選擇輸入輸出變量
    壓力的給定值設(shè)為p，管道的實(shí)測(cè)壓力值為p(k)，則誤差為e(k)=p-p(k)作為模糊控制器的輸入變量，輸出變量為控制變頻器的給定頻率值u，這里采用多段速端子控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    (2)確定各模糊變量的隸屬函數(shù)
    描述輸入e及輸出變量u的語(yǔ)言值的模糊子集為｛負(fù)大，負(fù)小，0，正小，正大｝簡(jiǎn)記為｛NB，NS，O，PS，PB｝，設(shè)誤差e的論域?yàn)閄，并將誤差大小量化為7個(gè)等級(jí)，即X=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝,控制量u的論域?yàn)閅，也量化為7個(gè)等級(jí)，即Y=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝。誤差的隸屬函數(shù)采用三角形，而控制量的隸屬函數(shù)采用單點(diǎn)形。
    (3)建立模糊控制規(guī)則
    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)供水壓力的經(jīng)驗(yàn)，控制規(guī)則用語(yǔ)言描述如下：
    若壓力低于給定值則提高變頻器輸出頻率，低得越多頻率提得越多；若壓力高于給定值則降低變頻器輸出頻率，高得越多頻率降得越多；若壓力等于給定值則變頻器輸出頻率不變。根據(jù)上述的手動(dòng)控制規(guī)則得到模糊控制規(guī)則如下：
 
    (4)離線計(jì)算模糊控制表
    由上述的模糊控制規(guī)則采用minmax重心法推算出實(shí)際應(yīng)用的模糊控制表及對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率如表3—1所示。

    在實(shí)時(shí)壓力控制過(guò)程中，上述控制表存在PLC的內(nèi)存中，PLC的高速輸入端口接收管網(wǎng)中的壓力值，并與給定值進(jìn)行比較，計(jì)算偏差e，乘以相應(yīng)的量化因子并經(jīng)取整處理變換成模糊變量E。根據(jù)對(duì)應(yīng)的E通過(guò)查找控制表得到控制量U，然后控制多段速端子M11，M12，M13的不同接通組合，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制水壓的目的。在實(shí)際運(yùn)行中由于泵的特性，在轉(zhuǎn)速很低時(shí)泵的效率下降損耗增加，所以在PLC控制變頻器啟動(dòng)后，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值的30%時(shí)模糊控制器開始工作，即調(diào)節(jié)過(guò)程中電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速為額定值的30%。
4結(jié)論
    該系統(tǒng)充分利用S7200自身資源，利用高速輸入口來(lái)完成A/D轉(zhuǎn)換，利用變頻器的多段速輸入端子實(shí)現(xiàn)D/A，極大地降低設(shè)計(jì)成本。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此，原系統(tǒng)的硬件都無(wú)需更換，只加上了控制器PLC和自行設(shè)計(jì)的由LM331組成壓頻轉(zhuǎn)換器。采用模糊控制方式設(shè)計(jì)調(diào)試十分方便，在現(xiàn)場(chǎng)只要合適的設(shè)定多段速頻率值，即可獲得滿意的控制效果，另外該系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)，PLC和變頻器都具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可方便的和各種通用組態(tài)軟件連接，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控。該系統(tǒng)投入運(yùn)行半年來(lái)一直十分穩(wěn)定，故障率極低，而且操作容易，節(jié)能效果十分明顯。

［參考文獻(xiàn)］

［1］韓安榮通用變頻器及其應(yīng)用［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，425－427
［2］王偉，李祖才，秦泗新變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)［J］自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，哈爾濱：2000，19(2)：26－27
［3］李士勇模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論［M］哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997