多泵聯控的智能切換決策及可靠性設計

杜琛鑫，葛笑寒

(1.三門峽職業技術學院智能制造學院，河南 三門峽 472000； 2.河南科技大學應用工程學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

目前，在工業生產中，多工藝恒壓控制系統多采用可編程邏輯控制器和變頻器相結合的模式[1]，基于偏差反饋自動調節泵的轉速，這種方案改善了傳統控制中工藝無法及時合理調整的問題，是目前比較理想的控制方案之一。

實際運行中，經常需要一部分水泵工作在工頻狀態，造成該部分泵不間斷運行，而其他水泵長期閑置導致銹蝕[2]。不僅造成了設備資源的浪費，而且縮短了頻繁處于工作狀態中泵的使用壽命。現有的切換方案多按照順序啟動，無法有效解決該類問題。同時，目前的優化控制方案中，大多采用部分工頻后仍未滿足工藝條件時，啟動閑置變頻泵[3]，通過PID等控制算法使系統重新達到穩定狀態[4]。該類方案多存在切換周期長、超調大的問題。

為了解決這些問題，采用可編程邏輯控制器和變頻器相結合的控制結構，通過邏輯設計，按需啟動或者停止變頻泵，同時通過軟件設計解決工頻時間長、切換周期長和超調大的問題。最后，在供暖恒壓恒液位多條件控制的實際應用中，驗證了方案的可行性，實現了泵的快速智能切換，有效降低了切換擾動。

1 控制系統

換熱站循環泵出口壓力恒壓控制系統與凝結水泵恒定液位控制系統構成基本相同。其監控系統主要由上位機WINCC和西門子S7-300 PLC構成，選取變頻器作為執行機構、壓力變送器(或液位傳感器)采集信號作為反饋。

控制系統中，控制目標為恒定壓力(或液位)值，控制對象為多泵機組，PLC和變頻器分別為控制器和執行器。具體的控制過程：壓力(或液位)傳感器反饋信號給PLC，經過智能切換策略輸出信號給變頻器，變頻器作為執行機構，控制各泵的運行并且將各泵的運行狀態反饋給PLC，通過WINCC的實時曲線畫面，能夠實時觀測到控制效果。變頻器有本地和遠程兩種工作狀態，當泵處于本地狀態時，控制策略剔除該變頻器，該變頻器只能在現場通過端子和旋鈕操作。遠程分為多泵聯控自動狀態和手動狀態：手動狀態下，可以手動在WINCC上操作調節頻率；自動狀態時進入智能策略控制。遠程狀態下，為防止信號中斷、保證系統運行安全，運行時一般令一臺泵處于本地的定頻運行狀態，保證基礎出力和安全，其余各泵處于遠程狀態。系統框圖如圖1所示。

圖1 控制系統框圖

1.1 系統電路

采用一拖一的控制方式保證系統的可靠性，即一臺變頻器控制一臺電機，這樣可以使多臺泵均處于變頻狀態，消除部分泵長期處于工頻運行的弊端[5]。變頻器的控制方式分為本地和遠程兩種：本地狀態時，LI1設置為啟動/停止，可本地手動控制變頻器的啟動和停止；遠程控制方式下，變頻器命令通道由變頻器通信卡控制，LI2和LI4并聯，能夠同時切換命令通道和給定通道。單臺的主電路和控制電路如圖2所示。

圖2 系統電路

1.2 可靠性設計

為確保系統可靠運行，需要保證管網的壓力維持在一定范圍內。若管網壓力過低，會導致空氣進入管網，管道會因為氧化反應而被腐蝕；管網壓力過高會使管道爆裂，也不利于系統的安全可靠。考慮到壓力的限制范圍，若系統處于遠程狀態時發生了通信故障，需要保證一臺泵處于工作的狀態，這樣就能確保管網的壓力在正常工作范圍內，保證了系統的安全可靠[6]。另一方面，當變頻器出現故障時，圖2所示的RIB、RIC可以起到報警保護作用：即變頻器正常工作時兩者為斷開狀態，故障時兩者閉合，繼電器通電吸合報警，保證變頻故障時系統能夠快速反應和及時報警。

2 智能切換決策

基于泵的運行時間以及啟停頻次制定切泵策略，是解決變頻調速恒壓、恒液位類系統資源利用不均的關鍵。本系統共有3種控制方式，分別為本地控制(現場端子旋鈕控制)、遠程手動控制(即將現場端子旋鈕功能轉移到上位機上)和遠程自動控制(由智能切換決策進行控制)。

2.1 切換方案

當工藝不滿足生產要求時，判斷是否符合增泵、減泵條件。若滿足增泵條件，啟動遠程未開啟泵中運行時間最短的泵，若多泵運行時間接近，選取啟停頻次最少的泵啟動。當滿足減泵條件時，停止所有遠程開啟泵中運行時間最長的泵，當有多泵運行時間接近時，選取啟停頻次最多的泵停止。

啟動泵時，輸出采用組共用的PID輸出，同時設置了合理的起動斜坡，若需求缺口不是很大，輸出會隨著新增泵頻率的上升而下降，所有遠程啟動的泵可以保證小超調的同時，相對快速的達到穩定的同一狀態；若缺口很大，系統會自動快速上升到目前輸出頻率，然后重復上述過程。

停止泵時，輸出仍采用共用的PID輸出，設置合理的停車斜坡，如果控制要求波動不是很大，輸出會隨著減泵的頻率下降而略有上升，所有遠程啟動的泵可以保證很小反向超調的同時，相對快速地達到穩定的同一狀態，如果波動較大，系統會快速關閉泵并重復上述過程。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

當需要改變運行泵的數量時，需要滿足增、減泵條件[7]。增泵需要同時滿足2個判別條件：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長。同理，減泵也需要同時滿足2個判別條件：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長。

當任何一臺水泵出現故障時，在自控回路中屏蔽該泵，等同于該泵處于本地狀態，不參與自動切換判斷，保證快速穩定的工藝要求。控制上限設置時，一般要等于或略小于輸出上限。控制下限一般設置在30～40 Hz，即采用最少的泵滿足工藝要求，泵數量控制如圖4所示。

圖4 泵數量控制

3 系統實現

系統智能切換決策基于泵切換方案和增、減泵條件，同時，泵每次的啟停切換均不是立刻進行的，需要延時一段時間后仍不滿足條件時，才會采取切換動作，以防止變頻泵的頻繁啟停。編程時，對于本地狀態和故障狀態的泵進行屏蔽，其余滿足判斷條件的泵根據冒泡法進行初步篩選，必要時再通過啟停頻次進行二次選擇。具體PLC程序流程圖如圖5所示。

圖5 PLC程序流程圖

4 結語

本文選取西門子S7-300 PLC作為控制器，依據增泵條件和減泵條件，結合起動停車斜坡設置，解決了變頻恒壓、恒液位系統多泵調控問題，避免了設備資源利用不均的浪費問題，同時能夠縮短泵切換時長和減小擾動。目前系統已在某飛機制造廠的換熱站改造中運行，功能完備，長期處于穩定運行中，反饋信息優良，進一步驗證了本方案的正確性和有效性。