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(dòng)化控制實(shí)例中的應(yīng)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(jìn)PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水廠恒壓供水智能遠(yuǎn)程監(jiān)控，為水廠泵站的穩(wěn)定、節(jié)能、安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。
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(wù)因素，在水質(zhì)穩(wěn)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(duì)立因素，更高的服務(wù)水壓意味更高的能耗，如何低能耗及滿足承諾服務(wù)水壓中找到一個(gè)平衡是現(xiàn)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(diào)壓成為歷史，而PID技術(shù)的發(fā)展實(shí)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(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，保持供水管道壓力恒定，它比傳統(tǒng)的憋閥門(mén)供水有較大的優(yōu)越性，是當(dāng)今最先進(jìn)、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(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的PID閉環(huán)控制或者利用專用設(shè)備內(nèi)部PID控制(如變頻器內(nèi)部PID閉環(huán)控制)對(duì)監(jiān)測(cè)量的閉環(huán)控制是較為常用的PID控制方法。本文主要結(jié)合珠海市西部某水廠實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)陳述了基于變頻器PID控制在水廠恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)用。
2.1 PID恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文中的自動(dòng)恒壓供水控制系統(tǒng)的核心硬件是由PLC網(wǎng)絡(luò)(s7-300及S7-200由Profibus-DP構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò))、人機(jī)界面(WINCC)、兩臺(tái)臺(tái)達(dá)VFD-F變頻器分別一對(duì)一拖動(dòng)兩臺(tái)水泵電機(jī)(KQSN-500M9/621)、壓力變送器、水池液位計(jì)等組成。人機(jī)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(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況;PLC為控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)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(dòng)水泵機(jī)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(hào)(4-20mA電流)。水廠PID自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)核心硬件構(gòu)成圖如圖1所示。
圖1 水廠PID自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)核心硬件構(gòu)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(shí)間變化產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)態(tài)特性的偏差速率產(chǎn)生一個(gè)執(zhí)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(yùn)算是P、I、D三個(gè)運(yùn)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(shè)定值與被控制對(duì)象的實(shí)際值的差值，按照PID控制法的算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控制對(duì)象的變化，其控制過(guò)程如圖2所示。
圖2 PID控制原理框圖
同時(shí)該變頻器內(nèi)置了復(fù)雜的順序控制功能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)電磁接觸器的互鎖)，當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到上限及持續(xù)運(yùn)行時(shí)間滿足后(這里分別設(shè)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(xiàn)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(duì)電網(wǎng)電流及管網(wǎng)水壓沖擊，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。電磁接觸器MC2在工頻運(yùn)行時(shí)閉合，變頻運(yùn)行時(shí)斷開(kāi);MC3變頻運(yùn)行時(shí)閉合，工頻運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)。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(cè)輸出信號(hào)、工頻運(yùn)行信號(hào)及變頻運(yùn)行信號(hào)等均接入PLC，作為增減機(jī)信號(hào)及執(zhí)行PID控制的變頻器控制信號(hào)。
3 恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1PLC控制設(shè)計(jì)
恒壓供水控制系統(tǒng)為水廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)子程序，其控制過(guò)程為：操作人員通過(guò)在遠(yuǎn)程控制室人機(jī)界面(WINCC)中輸入泵房機(jī)組運(yùn)行水壓，系統(tǒng)通過(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程序?qū)⑺畨阂髠鬟f給臺(tái)達(dá)VFD變頻器調(diào)整頻率;默認(rèn)2#機(jī)組為PID控制首選，當(dāng)2#機(jī)組由變頻器PID控制進(jìn)入工頻運(yùn)行后且持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)后，S7-200啟動(dòng)水泵機(jī)組增減機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)增減機(jī)操作3#機(jī)組，并實(shí)行PID控制，達(dá)到恒壓供水的目的。增機(jī)操作為先啟動(dòng)2#機(jī)組，2#工頻運(yùn)行后，啟動(dòng)3#機(jī)組并調(diào)頻;在減機(jī)操作中先停工頻運(yùn)行機(jī)組，再對(duì)變頻機(jī)組機(jī)組調(diào)頻;機(jī)組工頻變頻運(yùn)行模式由變頻器內(nèi)部進(jìn)行互鎖，兩臺(tái)機(jī)組變頻運(yùn)行模式由PLC進(jìn)行互鎖，防止機(jī)組誤操作;1#為備用機(jī)組，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)任一臺(tái)變頻器對(duì)其拖動(dòng)。機(jī)組操作必須滿足必要的時(shí)間間隔。
