多泵联控的智能切换决策及可靠性设计
时间：2023-02-27 19:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
杜琛鑫，葛笑寒
(1.三门峡职业技术学院智能制造学院，河南 三门峡 472000；
2.河南科技大学应用工程学院，河南 三门峡 472000)
目前，在工业生产中，多工艺恒压控制系统多采用可编程逻辑控制器和变频器相结合的模式[1]，基于偏差反馈自动调节泵的转速，这种方案改善了传统控制中工艺无法及时合理调整的问题，是目前比较理想的控制方案之一。
实际运行中，经常需要一部分水泵工作在工频状态，造成该部分泵不间断运行，而其他水泵长期闲置导致锈蚀[2]。不仅造成了设备资源的浪费，而且缩短了频繁处于工作状态中泵的使用寿命。现有的切换方案多按照顺序启动，无法有效解决该类问题。同时，目前的优化控制方案中，大多采用部分工频后仍未满足工艺条件时，启动闲置变频泵[3]，通过PID等控制算法使系统重新达到稳定状态[4]。该类方案多存在切换周期长、超调大的问题。
为了解决这些问题，采用可编程逻辑控制器和变频器相结合的控制结构，通过逻辑设计，按需启动或者停止变频泵，同时通过软件设计解决工频时间长、切换周期长和超调大的问题。最后，在供暖恒压恒液位多条件控制的实际应用中，验证了方案的可行性，实现了泵的快速智能切换，有效降低了切换扰动。
换热站循环泵出口压力恒压控制系统与凝结水泵恒定液位控制系统构成基本相同。其监控系统主要由上位机WINCC和西门子S7-300 PLC构成，选取变频器作为执行机构、压力变送器(或液位传感器)采集信号作为反馈。
控制系统中，控制目标为恒定压力(或液位)值，控制对象为多泵机组，PLC和变频器分别为控制器和执行器。具体的控制过程：压力(或液位)传感器反馈信号给PLC，经过智能切换策略输出信号给变频器，变频器作为执行机构，控制各泵的运行并且将各泵的运行状态反馈给PLC，通过WINCC的实时曲线画面，能够实时观测到控制效果。变频器有本地和远程两种工作状态，当泵处于本地状态时，控制策略剔除该变频器，该变频器只能在现场通过端子和旋钮操作。远程分为多泵联控自动状态和手动状态：手动状态下，可以手动在WINCC上操作调节频率；
自动状态时进入智能策略控制。远程状态下，为防止信号中断、保证系统运行安全，运行时一般令一台泵处于本地的定频运行状态，保证基础出力和安全，其余各泵处于远程状态。系统框图如图1所示。
图1 控制系统框图
1.1 系统电路
采用一拖一的控制方式保证系统的可靠性，即一台变频器控制一台电机，这样可以使多台泵均处于变频状态，消除部分泵长期处于工频运行的弊端[5]。变频器的控制方式分为本地和远程两种：本地状态时，LI1设置为启动/停止，可本地手动控制变频器的启动和停止；
远程控制方式下，变频器命令通道由变频器通信卡控制，LI2和LI4并联，能够同时切换命令通道和给定通道。单台的主电路和控制电路如图2所示。
图2 系统电路
1.2 可靠性设计
为确保系统可靠运行，需要保证管网的压力维持在一定范围内。若管网压力过低，会导致空气进入管网，管道会因为氧化反应而被腐蚀；
管网压力过高会使管道爆裂，也不利于系统的安全可靠。考虑到压力的限制范围，若系统处于远程状态时发生了通信故障，需要保证一台泵处于工作的状态，这样就能确保管网的压力在正常工作范围内，保证了系统的安全可靠[6]。另一方面，当变频器出现故障时，图2所示的RIB、RIC可以起到报警保护作用：即变频器正常工作时两者为断开状态，故障时两者闭合，继电器通电吸合报警，保证变频故障时系统能够快速反应和及时报警。
基于泵的运行时间以及启停频次制定切泵策略，是解决变频调速恒压、恒液位类系统资源利用不均的关键。本系统共有3种控制方式，分别为本地控制(现场端子旋钮控制)、远程手动控制(即将现场端子旋钮功能转移到上位机上)和远程自动控制(由智能切换决策进行控制)。
2.1 切换方案
当工艺不满足生产要求时，判断是否符合增泵、减泵条件。若满足增泵条件，启动远程未开启泵中运行时间最短的泵，若多泵运行时间接近，选取启停频次最少的泵启动。当满足减泵条件时，停止所有远程开启泵中运行时间最长的泵，当有多泵运行时间接近时，选取启停频次最多的泵停止。
启动泵时，输出采用组共用的PID输出，同时设置了合理的起动斜坡，若需求缺口不是很大，输出会随着新增泵频率的上升而下降，所有远程启动的泵可以保证小超调的同时，相对快速的达到稳定的同一状态；
若缺口很大，系统会自动快速上升到目前输出频率，然后重复上述过程。
停止泵时，输出仍采用共用的PID输出，设置合理的停车斜坡，如果控制要求波动不是很大，输出会随着减泵的频率下降而略有上升，所有远程启动的泵可以保证很小反向超调的同时，相对快速地达到稳定的同一状态，如果波动较大，系统会快速关闭泵并重复上述过程。增减泵策略如图3所示。
图3 泵切换策略
2.2 增泵、减泵条件
当需要改变运行泵的数量时，需要满足增、减泵条件[7]。增泵需要同时满足2个判别条件：变频器工作在上限切换频率；
变频器维持上限切换频率一定时长。同理，减泵也需要同时满足2个判别条件：变频器工作在下限切换频率；
变频器维持在下限频率一定时长。
当任何一台水泵出现故障时，在自控回路中屏蔽该泵，等同于该泵处于本地状态，不参与自动切换判断，保证快速稳定的工艺要求。控制上限设置时，一般要等于或略小于输出上限。控制下限一般设置在30～40 Hz，即采用最少的泵满足工艺要求，泵数量控制如图4所示。
图4 泵数量控制
系统智能切换决策基于泵切换方案和增、减泵条件，同时，泵每次的启停切换均不是立刻进行的，需要延时一段时间后仍不满足条件时，才会采取切换动作，以防止变频泵的频繁启停。编程时，对于本地状态和故障状态的泵进行屏蔽，其余满足判断条件的泵根据冒泡法进行初步筛选，必要时再通过启停频次进行二次选择。具体PLC程序流程图如图5所示。
图5 PLC程序流程图
本文选取西门子S7-300 PLC作为控制器，依据增泵条件和减泵条件，结合起动停车斜坡设置，解决了变频恒压、恒液位系统多泵调控问题，避免了设备资源利用不均的浪费问题，同时能够缩短泵切换时长和减小扰动。目前系统已在某飞机制造厂的换热站改造中运行，功能完备，长期处于稳定运行中，反馈信息优良，进一步验证了本方案的正确性和有效性。
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