恒压供水系统的分层控制

孙永伟

通用变频器问世以来，变频调速技术在城市供水领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水系统以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在实际应用中得到了很大的发展。变频恒压供水系统的供水部分主要工作设备由水泵、变频器、电动机、管道和阀门等，控制部分由PLC，及测量仪表，网络通讯构成。变频调速恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。从图1中可以看出，依据用水量的变化，PLC自动调整系统，保持水压恒定以满足用户用水要求，在系统运行过程中，压力传感器将测得的供水压力，反馈至可编程控制器（PLC）的AI输入模块，进行A/D转换，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，计算出变频器输出频率的增减值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率，再进行D/A转换，由系统的AO输出模块输出给变频器的频率设定值，控制水泵从而使实际供水压力和设定压力相等为止。PLC实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。

在实际运行过程中，PLC要处理上下位通讯，实现“三遥”功能，还要控制程序的逻辑，还要负责A/D和D/A转换，PID调节，控制变频器的频率，处理信息量大，编写程序量大，发生故障可能性也高。在机-电-信一体化的系统中PLC处于主控地位，如果PLC一旦故障（如PLC供电问题，通讯障碍等），整个系统将崩溃。而真正控制电机的变频器处于被动地位，仅用于输出频率，使用率低下。我们忽视了，变频器从诞生初期，就是独立的自动化设备，自身具有成熟的控制功能。这就需要我们在PLC和变频器之间，对它们进行重新定位，将专业的事由专业的设备去做，才能发挥出各自的潜能。

通用变频器作为自动化设备，自身具有完善的电气保护（如过流，欠压等），多种模拟量输入，模拟量输出，数字量输入输出的接口，还具有成熟的PID调节功能及多种预定义的控制宏（以ABB ACS-550为例）和可设定的丰富的参数组。变频器有线宏，交变宏，PID控制宏等，PFC控制宏是其中一种，针对风机-水泵的应用，变频器可以形成独立的闭环控制泵站的运行。PFC控制宏：定义水泵的一种控制模式。通过变频器模拟量接线端子输入压力反馈信号，压力设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量形式或者用系统监控屏输入。变频器计算设定值和反馈值，调用自身的PID，调整频率的输出，使实际信号能跟随给定值。当需求量超过运行泵的能力，PFC控制模式会自动启动一台工频辅泵，PFC调节对原先变频泵降低频率，使总量等于需量。PFC控制器继续调节工作泵的数量及变频泵的频率。当需求量低于运行泵的能力，PFC控制模式侦测到变频泵频率低于设定，会自动停止一台工频辅泵，PFC会重新调节变频泵频率，使总量等于需量，PFC控制继续调节工作泵的数量及变频泵的频率。PFC控制的工作泵与备用泵不固定，可自动定时切换。可以有效地防止因为备用泵长期不用时发生的锈死现象，提高了设备的综合利用率;供水量急剧减少时，水泵可进入休眠状态。休眠期间，变频器监测管网压力，当供水压力低于设定压力时，系统自动唤醒。变频泵投入工作，当压力高于设定值时，系统再次进入休眠状态。这样，能最大限度地节水节电。变频器自动检测已故障泵，重新排列工作顺序。整套流程已固化到变频器内，只需正确接线，设定现场参数即可自动控制。

PLC是专为工业环境的应用而设计的，目的是实现快速适应工业自动化控制的要求，提高工作效率，降低费用，减少现场安装时间。它有强大的逻辑处理功能，存储功能，数据运算能力以及网络通讯能力，随着PLC技术不断发展，其现场总线功能在不断的丰富，这样，与现场自动化设备连接和沟通就越来越方便。将PLC对变频器的控制交给变频器，使现场实现两层控制模式，如图二，这样，在现场控制上，使PLC专注于采集现场信号，处理逻辑信号，对一些突发事件（如水箱无水，地面溢水，停电等）进行及时处理。

与上位保持通讯，实时反馈现场信息，同时缩减了PLC的编写程序的量，使之运行快捷，降低运行风险，还预留出后期可扩展的空间。减少PLC的模块数量，减少接线量，使安装和维护成本降低。而变频器独自按接入反馈压力信号，利用变频器PFC功能，调整变频器输出频率及调节控制水泵电机数量，使供水压力恒定。在现场实施2层控制，对控制清晰分层，在故障分析时，如果水泵停运，故障在变频器监控上显示，通过指示，可快速处理;通讯问题，故障点在PLC，就可以快速的判断处理。PLC和变频器在控制功能上进行了分层独立，两者并不是彼此孤立的，通过用现场总线等方式将它们连接，使得PLC可以采集变频器上的实时信息到上位，给予监控运行状态。在PLC发生故障时，泵站在变频器的控制下，可以正常运行，PLC故障可以上报上位，等待工作人员前来维修，保证了泵房连续工作。

《中国制造2025》的提出，大数据分析的全面实施，城市供水必将迎来新的挑战和机遇。为满足社会需求及高层决策，对泵房，将会要求提供大量的数据，现场会安装更多的监测设备。在实施现场分层控制后，当对泵房的二次升级改造，不需要停运原系统，后安装设备只要满足数据交流及连接要求（如通过现场总线PROFIBUS-DP，Modbus等），在原系统中添加相应模块，电源，即可接入设备，在不影响现场的运行前提下，设备通过现场总线与PLC通讯，它们的功能即可发挥，再通过互联网，将地理位置分散的站点，连接起来。以点组成面，以面构成体，形成一幅立体的城市供水详细分布图。