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1引言
水質(zhì)和水壓是現代供水企業(yè)賴(lài)以生存和發(fā)展的基本服務(wù)因素，在水質(zhì)穩定的前提下，水壓的服務(wù)質(zhì)量和能耗是相互制約的兩個(gè)對立因素，更高的服務(wù)水壓意味更高的能耗，如何低能耗及滿(mǎn)足承諾服務(wù)水壓中找到一個(gè)平衡是現代供水企業(yè)密切關(guān)注及研究的一個(gè)課題。變頻技術(shù)的發(fā)展使憋閥門(mén)調壓成為歷史，而PID技術(shù)的發(fā)展實(shí)現恒壓供水向安全、節能及高品質(zhì)的方向實(shí)現了飛躍。PID恒壓供水系統實(shí)現水泵電機無(wú)級調速，依據用水量的變化自動(dòng)調節系統的運行參數，保持供水管道壓力恒定，它比傳統的憋閥門(mén)供水有較大的優(yōu)越性，是當今最先進(jìn)、合理的節能型供水系統。
2PID恒壓供水系統介紹
在現代工業(yè)控制中CONTROL ENGINEERING China版權所有，利用PLC實(shí)現對模擬量的PID閉環(huán)控制或者利用專(zhuān)用設備內部PID控制（如變頻器內部PID閉環(huán)控制）對監測量的閉環(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(chǎng)實(shí)際應用為基礎陳述了基于變頻器PID控制在水廠(chǎng)恒壓供水系統中應用。
2.1PID恒壓供水系統硬件設計
本文中的自動(dòng)恒壓供水控制系統的核心硬件是由PLC網(wǎng)絡(luò )（S7-300及S7-200由Profibus-DP構成PLC網(wǎng)絡(luò )）、人機界面（WINCC）、兩臺臺達VFD-F變頻器分別一對一拖動(dòng)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）和監控執行機構的運行情況；PLC為控制機構控制工程網(wǎng)版權所有，進(jìn)行數據傳輸及控制指令的發(fā)布；變頻器執行PID控制拖動(dòng)水泵機組；壓力變送器監控管道壓力并向控制系統傳輸壓力信號（4-20mA電流）。水廠(chǎng)PID自動(dòng)恒壓供水系統核心硬件構成圖如圖1所示。
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www.cechina.cn，根據偏差及時(shí)間變化產(chǎn)生一個(gè)執行量；PD控制是由比例控制(Ｐ)和微分控制（D）組合成www.cechina.cn，根據改變動(dòng)態(tài)特性的偏差速率產(chǎn)生一個(gè)執行量；PID控制是利用PI控制盒PD控制的有點(diǎn)組合成的控制，其核心運算是P、I、D三個(gè)運算的綜合。
PID控制是閉環(huán)控制系統的比例-積分-微分控制算法，PID控制器根據設定值與被控制對象的實(shí)際值的差值，按照PID控制法的算法計算出控制器的輸出量，控制執行機構去影響被控制對象的變化，其控制過(guò)程如圖2所示。
Kp:比例常數 Ti：積分時(shí)間 S：演算子 Td：微分時(shí)間
圖2 PID控制原理框圖
同時(shí)該變頻器內置了復雜的順序控制功能實(shí)現工頻電源和變頻器之間的柔性切換（進(jìn)行切換時(shí)實(shí)現電磁接觸器的互鎖），當變頻器運行頻率達到上限及持續運行時(shí)間滿(mǎn)足后（這里分別設置為50Hz和60s），變頻器自行將變頻無(wú)極切換到工頻（不需重新啟動(dòng)），實(shí)現了變頻到工頻的無(wú)極切換，大大減少了工頻啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)電流及管網(wǎng)水壓沖擊，大大加強了系統的穩定性及安全性。電磁接觸器MC2在工頻運行時(shí)閉合，變頻運行時(shí)斷開(kāi)；MC3變頻運行時(shí)閉合，工頻運行時(shí)斷開(kāi)?？刂齐娐啡鐖D3所示。
圖3 VFD-F變頻器PID控制接線(xiàn)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行PID控制的變頻器控制信號。
3恒壓供水系統軟件設計
3.1PLC控制設計
恒壓供水控制系統為水廠(chǎng)自動(dòng)化系統中的一個(gè)子程序，其控制過(guò)程為：操作人員通過(guò)在遠程控制室人機界面（WINCC）中輸入泵房機組運行水壓，系統通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)Industrial Ethernet將參數傳遞到 PLC主站S7-300，主站再通過(guò)現場(chǎng)控制主線(xiàn)Profibus-DP傳送控制指令到泵房控制子站S7-200，泵站控制子站根據水壓指令判斷是否需要調整水壓，如果需要，通過(guò)程序將水壓要求傳遞給臺達VFD變頻器調整頻率；默認2#機組為PID控制首選，當2#機組由變頻器PID控制進(jìn)入工頻運行后且持續時(shí)間足夠長(cháng)后，S7-200啟動(dòng)水泵機組增減機程序實(shí)現增減機操作3#機組，并實(shí)行PID控制，達到恒壓供水的目的。增機操作為先啟動(dòng)2#機組，2#工頻運行后，啟動(dòng)3#機組并調頻；在減機操作中先停工頻運行機組，再對變頻機組機組調頻；機組工頻變頻運行模式由變頻器內部進(jìn)行互鎖，兩臺機組變頻運行模式由PLC進(jìn)行互鎖，防止機組誤操作；1#為備用機組，通過(guò)轉換開(kāi)關(guān)可以實(shí)現任一臺變頻器對其拖動(dòng)。機組操作必須滿(mǎn)足必要的時(shí)間間隔。
3.2PID控制設計
將出廠(chǎng)水總管壓力壓力傳感器傳來(lái)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(lái)自人機界面的壓力要求，壓力指令通過(guò)控制子站EM235模塊將模擬量輸出轉換成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控制器根據采集的信號計算出偏差量I(t)，按照PID的微積分控制規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(guò)調整變頻器的輸出頻率改變水泵電機的轉速，達到調整壓力的需求，完成變速恒壓供水的目的。
4結束語(yǔ)
該系統采用變頻器內部PID算法控制，結合先進(jìn)PLC網(wǎng)絡(luò )技術(shù)CONTROL ENGINEERING China版權所有，具有控制壓力穩定，無(wú)沖擊等特點(diǎn)。在實(shí)際運行中，操作員根據管網(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，系統智能平緩實(shí)現壓力控制，最終達到平衡。系統在運行中采用變頻器對電機實(shí)現軟啟動(dòng)，減少設備損耗，變頻控制使得水廠(chǎng)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(fēng)險系數；如果結合管網(wǎng)GIS模型，用城市管網(wǎng)多點(diǎn)壓力數據作為信號反饋，實(shí)現對城市多水廠(chǎng)的協(xié)同恒壓控制，將開(kāi)辟城市供水技術(shù)的心時(shí)代控制工程網(wǎng)版權所有，使得供水企業(yè)服務(wù)水壓和供水能耗達到一個(gè)更加優(yōu)化的平衡。
豫公網(wǎng)安備41030502000904號
