智能變頻技術在供水系統中的應用

張剛，孟令威，李鴻軒，李耀光

（山東中煙工業有限責任公司青州卷煙廠，山東 青州 262500）

廠區供水系統采用PLC+變頻器的方式進行壓力調節，當壓力低于0.4MPa直接控制變頻器啟動，運行在50Hz，如果運行一段時間后壓力仍達不到0.4MPa，再啟動第二臺，以此類推，現場安置3臺變頻器控制3臺22kW水泵電機。這種數字量工頻運行方式雖然能保證供水壓力保持在0.4MPa以上，但變頻器的利用效率低，能源浪費嚴重。

利用工業自動化控制中現場總線技術和PID控制算法，對原系統進行改進。用通訊變頻代替原來的數字量變頻，并且利用設定值壓力和實際值壓力的偏差△e作為PID的輸入，從而計算出實際需求的頻率值，大大減少了變頻器的輸出，節約了能源。

1 系統功能

系統功能主要分為通訊變頻功能和PID控制算法。通訊變頻功能主要是對系統已有的Profibus-DP現場總線網絡進行擴展，連接現場的3臺變頻器作為從站，通過通訊實現變頻器的啟/停和頻率運行值設定，取消原來的數字量控制；PID控制算法主要是對PLC采集的供水壓力和設定壓力(0.42MPa)的偏差進行PID計算，得出頻率運行值，經DP網絡傳遞給變頻器，PLC控制流程如圖1所示。

圖1 PLC控制流程圖

1.1 通訊變頻功能

Profibus-DP網絡在工業現場總線中市場占有率高，通過供水系統PLC程序的硬件組態，我們發現PLC與各個流量計、分布式I/O都是通過該總線通信的，這也極大地方便了我們對系統的擴展，無需采購硬件，僅僅需要DP電纜即可。變頻器均是丹佛斯FC300系列，我們從官方網站下載了DP通信的GSD文件，添加到了系統的DP網絡，如圖2所示。

圖2 DP網絡硬件組態圖

丹佛斯GSD文件下的報文按類型分主要有Module型和Word型。

我們選擇PPOType1Module型，它由4個PCV和2個PCD組成；PCV發送區用來讀寫變頻器的加速時間、索引參數和參數值，接受區對應的是讀取變頻器的實際響應。PCD發送區的四個字節對應的是變頻器的控制字(CTW)、頻率設定值(MRV)，狀態字(STW)、頻率反饋值(MAV)。知道每個字節所控制的區域后，再對每個字節的具體位進行解讀分析（如圖3），從而確定了通過DP網絡啟/停變頻器和設定運行頻率值的編程方式。

圖3 丹佛斯變頻器GSD報文

1.2 PID 控制算法

PID算法是過程控制領域應用最廣泛、技術最成熟的算法。它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。西門子Step-7的標準庫里也集成了各種PID控制塊，選擇FB41連續模擬量控制，并對FB41連接相應的地址、填寫參數，如圖4所示。

2 數據分析

改進后的系統投入使用后，小組統計了改善前與改善后一個月供水系統的用電總量，通過計算得出用電能耗減少了，大大減少了變頻器的輸出，節約了能源。

圖4 FB41程序塊圖

圖5 改善前后用電量比較圖

在節約用電能耗的基礎上，供水壓力也更加趨于平穩（圖6），壓力期望值設定為0.42MPa，通過觀察壓力曲線圖，計算得出供水壓力最大超調量，實現了穩定的恒壓供水，保證了全廠區生產、生活用水的穩定。

圖6 改善后壓力曲線

3 結語

本文立足于供水系統的實際運行狀況，利用先進的通信技術和變頻技術，將原有粗糙的工頻運行方式變為可以根據進水壓力自動變頻運行，事實證明，智能化改造后整個供水系統控制效果好，控制精度高，與此同時也實現了節能減排、降本增效，對于企業發展來說，具有非常重要的意義。