摘 要：本文主要講述基于變頻器PID控制下恒壓供水系統(tǒng)水廠自動化控制實例中的應用。本案例，我們充分利用變頻器的節(jié)能調(diào)壓能力，以變頻器內(nèi)置PID控制算法為核心，以現(xiàn)代先進PLC網(wǎng)絡技術為平臺，實現(xiàn)水廠恒壓供水智能遠程監(jiān)控，為水廠泵站的穩(wěn)定、節(jié)能、安全運行奠定基礎。
關鍵詞：變頻器 PID控制 恒壓供水
1、引言
水質(zhì)和水壓是現(xiàn)代供水企業(yè)賴以生存和發(fā)展的基本服務因素，在水質(zhì)穩(wěn)定的前提下，水壓的服務質(zhì)量和能耗是相互制約的兩個對立因素，更高的服務水壓意味更高的能耗，如何低能耗及滿足承諾服務水壓中找到一個平衡是現(xiàn)代供水企業(yè)密切關注及研究的一個課題。變頻技術的發(fā)展使憋閥門調(diào)壓成為歷史，而PID技術的發(fā)展實現(xiàn)恒壓供水向安全、節(jié)能及高品質(zhì)的方向?qū)崿F(xiàn)了飛躍。PID恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持供水管道壓力恒定，它比傳統(tǒng)的憋閥門供水有較大的優(yōu)越性，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。
2、PID恒壓供水系統(tǒng)介紹
在現(xiàn)代工業(yè)控制中，利用PLC實現(xiàn)對模擬量的PID閉環(huán)控制或者利用專用設備內(nèi)部PID控制(如變頻器內(nèi)部PID閉環(huán)控制)對監(jiān)測量的閉環(huán)控制是較為常用的PID控制方法。本文主要結合珠海市西部某水廠實際應用為基礎陳述了基于變頻器PID控制在水廠恒壓供水系統(tǒng)中應用。
2.1PID恒壓供水系統(tǒng)硬件設計
本文中的自動恒壓供水控制系統(tǒng)的核心硬件是由PLC網(wǎng)絡(S7-300及S7-200由Profibus-DP構成PLC網(wǎng)絡)、人機界面(WINCC)、兩臺臺達VFD-F變頻器分別一對一拖動兩臺水泵電機(KQSN-500M9/621)、壓力變送器、水池液位計等組成。人機界面接受操作人員輸入操作指令(如恒水壓指令等)和監(jiān)控執(zhí)行機構的運行情況;PLC為控制機構，進行數(shù)據(jù)傳輸及控制指令的發(fā)布;變頻器執(zhí)行PID控制拖動水泵機組;壓力變送器監(jiān)控管道壓力并向控制系統(tǒng)傳輸壓力信號(4-20mA電流)。水廠PID自動恒壓供水系統(tǒng)核心硬件構成圖如圖1所示。
圖1 水廠PID自動恒壓供水系統(tǒng)核心硬件構成圖
2.2變頻器PID控制原理
PI控制是由比例控制(P)和積分控制(I)組合成，根據(jù)偏差及時間變化產(chǎn)生一個執(zhí)行量;PD控制是由比例控制(P)和微分控制(D)組合成，根據(jù)改變動態(tài)特性的偏差速率產(chǎn)生一個執(zhí)行量;PID控制是利用PI控制盒PD控制的有點組合成的控制，其核心運算是P、I、D三個運算的綜合。
PID控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例-積分-微分控制算法，PID控制器根據(jù)設定值與被控制對象的實際值的差值，按照PID控制法的算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構去影響被控制對象的變化，其控制過程如圖2所示。
Kp:比例常數(shù) Ti：積分時間 S：演算子 Td：微分時間
圖2 PID控制原理框圖
同時該變頻器內(nèi)置了復雜的順序控制功能實現(xiàn)工頻電源和變頻器之間的柔性切換(進行切換時實現(xiàn)電磁接觸器的互鎖)，當變頻器運行頻率達到上限及持續(xù)運行時間滿足后(這里分別設置為50Hz和60s)，變頻器自行將變頻無極切換到工頻(不需重新啟動)，實現(xiàn)了變頻到工頻的無極切換，大大減少了工頻啟動時對電網(wǎng)電流及管網(wǎng)水壓沖擊，大大加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。電磁接觸器MC2在工頻運行時閉合，變頻運行時斷開;MC3變頻運行時閉合，工頻運行時斷開。控制電路如圖3所示。
圖3 VFD-F變頻器PID控制接線圖
變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號、工頻運行信號及變頻運行信號等均接入PLC，作為增減機信號及執(zhí)行PID控制的變頻器控制信號。
3、恒壓供水系統(tǒng)軟件設計
3.1PLC控制設計
恒壓供水控制系統(tǒng)為水廠自動化系統(tǒng)中的一個子程序，其控制過程為：操作人員通過在遠程控制室人機界面(WINCC)中輸入泵房機組運行水壓，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)Industrial Ethernet將參數(shù)傳遞到 PLC主站S7-300，主站再通過現(xiàn)場控制主線Profibus-DP傳送控制指令到泵房控制子站S7-200，泵站控制子站根據(jù)水壓指令判斷是否需要調(diào)整水壓，如果需要，通過程序?qū)⑺畨阂髠鬟f給臺達VFD變頻器調(diào)整頻率;默認2#機組為PID控制首選，當2#機組由變頻器PID控制進入工頻運行后且持續(xù)時間足夠長后，S7-200啟動水泵機組增減機程序?qū)崿F(xiàn)增減機操作3#機組，并實行PID控制，達到恒壓供水的目的。增機操作為先啟動2#機組，2#工頻運行后，啟動3#機組并調(diào)頻;在減機操作中先停工頻運行機組，再對變頻機組機組調(diào)頻;機組工頻變頻運行模式由變頻器內(nèi)部進行互鎖，兩臺機組變頻運行模式由PLC進行互鎖，防止機組誤操作;1#為備用機組，通過轉(zhuǎn)換開關可以實現(xiàn)任一臺變頻器對其拖動。機組操作必須滿足必要的時間間隔。
3.2PID控制設計
將出廠水總管壓力壓力傳感器傳來的電流信號(4-20mA)輸入到三菱變頻器反饋信號輸入端子;泵房控制子站PLC接受到來自人機界面的壓力要求，壓力指令通過控制子站EM235模塊將模擬量輸出轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出，該電流信號作為PID信號傳送到三菱變頻器PID控制器作為設定值;變頻器的PID控制器根據(jù)采集的信號計算出偏差量I(t)，按照PID的微積分控制規(guī)則計算出控制量頻率△f(t),并將頻率控制量送至變頻器控制器，通過調(diào)整變頻器的輸出頻率改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)整壓力的需求，完成變速恒壓供水的目的。
4、結束語
該系統(tǒng)采用變頻器內(nèi)部PID算法控制，結合先進PLC網(wǎng)絡技術，具有控制壓力穩(wěn)定，無沖擊等特點。在實際運行中，操作員根據(jù)管網(wǎng)用水量的需求情況可在遠程人機界面中輸入壓力給定值，系統(tǒng)智能平緩實現(xiàn)壓力控制，最終達到平衡。系統(tǒng)在運行中采用變頻器對電機實現(xiàn)軟啟動，減少設備損耗，變頻控制使得水廠能耗得到最大的優(yōu)化;而壓力平緩控制減少了管網(wǎng)的沖擊，大大降低爆管風險系數(shù);如果結合管網(wǎng)GIS模型，用城市管網(wǎng)多點壓力數(shù)據(jù)作為信號反饋，實現(xiàn)對城市多水廠的協(xié)同恒壓控制，將開辟城市供水技術的心時代，使得供水企業(yè)服務水壓和供水能耗達到一個更加優(yōu)化的平衡。
（轉(zhuǎn)載）
