產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器PID控制壓力分時(shí)賦值功能的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
1引言
隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展以及城市家庭人均用水量的不斷提高，對(duì)城市水系統(tǒng)的要求越來越高。由于用水周期的不同，比如白天比晚上用水多，夏季比冬季用水多等等，往往會(huì)出現(xiàn)在用水高峰期時(shí)水壓不足的現(xiàn)象，造成很多城市公用管網(wǎng)水壓變動(dòng)較大，且每天的不同時(shí)段對(duì)水壓的要求也不同，僅僅靠人工調(diào)節(jié)出口閥門開度及頻繁開停泵來調(diào)節(jié)流量，很難及時(shí)有效的達(dá)到目的。這種情況下造成用水高峰期時(shí)水位達(dá)不到要求，供水壓力不足，用水低峰期時(shí)供水水位超標(biāo)，壓力過高。不僅造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)而且存在巨大的事故隱患，如壓力過高容易造成爆管事故。吉林某市水務(wù)集團(tuán)負(fù)責(zé)全市的居民及工業(yè)用水，為解決上述矛盾和提高供水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，經(jīng)過充分的市場(chǎng)調(diào)研和嚴(yán)格的招投標(biāo)程序，決定使用新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司的JD-BP37/38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。風(fēng)光變頻調(diào)速系統(tǒng)具有完善的PID控制功能，該功能根據(jù)水廠出口處的水壓值自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運(yùn)行速率，實(shí)現(xiàn)了城市供水管網(wǎng)的恒壓供水。
2
PID控制及自來水廠的恒壓供水應(yīng)用
2.1
PID控制原理
PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。PID控制原理圖如圖1所示。
圖1
PID控制原理框圖
(1)
比例（P）控制
比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。該系數(shù)加大，可以加快調(diào)節(jié)速度，但如果過大，系統(tǒng)容易因超調(diào)而震蕩。
(2)
積分（I）控制
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的，或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在不需要比例調(diào)節(jié)，只單獨(dú)需要積分調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)器作反向調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)置為PID反。該系數(shù)絕對(duì)值加大，調(diào)節(jié)器響應(yīng)速度變慢。
(3)
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。在不需要比例調(diào)節(jié)，只單獨(dú)需要微分調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)器作反向調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)置PID反。該系數(shù)絕對(duì)值加大，可以加快調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
（4）PID控制實(shí)現(xiàn)過程
比例-積分-微分控制規(guī)律，即PID控制,是集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除誤差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把誤差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。
2.2
風(fēng)光變頻器PID控制參數(shù)介紹
為滿足不同用戶對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)PID功能的要求，變頻器主控程序在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了不同的參數(shù)，用戶可以根據(jù)自身的實(shí)際需求“私人訂制”PID功能。
最大壓力設(shè)定（1~30000）
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水壓的實(shí)際壓力設(shè)置，單位可選擇kPa或Pa（在HMI中有相應(yīng)的參數(shù)）。
PID結(jié)構(gòu)（0~3）
0：比例
PID控制只比例增益起作用
1：積分
PID控制只積分增益起作用
2：比例+積分
PID控制比例增益和積分增益同時(shí)起作用
3：比例+積分+微分
PID控制比例增益、積分增益和微分增益同時(shí)起作用
默認(rèn)為PID控制比例增益和積分增益同時(shí)起作用
PID設(shè)定通道選擇（0~2）：設(shè)定PID目標(biāo)值的通道
0：HMI
即變頻器閉環(huán)設(shè)定（如壓力）通過通信給定（一般為HMI）
1：AI1
即變頻器閉環(huán)設(shè)定（如壓力）通過主控板的AI1端子給定
2：AI2
即變頻器閉環(huán)設(shè)定（如壓力）通過主控板的AI2端子給定
AI1、AI2是風(fēng)光變頻器對(duì)2路模擬量輸入定義的名稱。
PID反饋通道選擇（0~1）：PID反饋值（模擬量）傳輸給主控的通道
0：AI1
即變頻器閉環(huán)反饋（如壓力）通過主控板的AI1端子給定
1：AI2
即變頻器閉環(huán)反饋（如壓力）通過主控板的AI2端子給定
比例系數(shù)（0.00~5.00）：設(shè)置、調(diào)整比例系數(shù)
比例系數(shù)越大則響應(yīng)越快，過大容易產(chǎn)振蕩。
積分系數(shù)（0.1~100.0）：設(shè)置、調(diào)整積分系數(shù)
僅用比例系數(shù)調(diào)節(jié)，不能完全消除偏差，為了消除殘留偏差，可采用積分增益，構(gòu)成PI控制。積分時(shí)間越小對(duì)偏差響應(yīng)越快，但過小容易產(chǎn)生振蕩。
微分系數(shù)（0.0~5.0）：設(shè)置、調(diào)整微分系數(shù)
PID設(shè)定和反饋誤差的變化率乘以此參數(shù)作為PID控制中微分環(huán)節(jié)的輸出。它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，能加快系統(tǒng)的響應(yīng)，改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性，此參數(shù)值過大，容易產(chǎn)生振蕩。
閉環(huán)調(diào)節(jié)特性選擇（0~1）
0：PID為正特性
1：PID為負(fù)特性
為滿足現(xiàn)場(chǎng)不同壓力變送器的特性，特意設(shè)置此參數(shù)。
正特性：反饋模擬量4-20mA代表最小值-最大值。
負(fù)特性：反饋模擬量4-20mA代表最大值-最小值。
在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇HMI給定目標(biāo)壓力，通過AI1端子給定反饋壓力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)節(jié)相應(yīng)的系數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)PID功能控制。
2.3
自來水廠恒壓供水系統(tǒng)
為滿足不同時(shí)段不同地區(qū)的用水壓力需求，該水廠采用先進(jìn)的恒壓供水控制系統(tǒng)，可以對(duì)水廠出口處的水壓值V進(jìn)行精確的處理和控制，并與壓力設(shè)置值Vi構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。恒壓供水系統(tǒng)原理如圖2所示。變頻器內(nèi)部的主控DSP采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
圖2恒壓供水系統(tǒng)原理圖
3
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
3.1
系統(tǒng)介紹
3.1.1二次清水泵
二次清水泵即可供應(yīng)合格的自來水，經(jīng)水泵加壓后，直接送管內(nèi)供給用戶。該廠有4臺(tái)電壓10kV，其中2臺(tái)630kW，2臺(tái)450kW，相同功率的電機(jī)互為備用。高峰時(shí)段開630kW一臺(tái)，低峰時(shí)段開450kW一臺(tái)。在夏天高峰流量時(shí)要開630kW一臺(tái)，再加450kW一臺(tái)，過去是采用人工方式調(diào)節(jié)出口閥門來調(diào)節(jié)流量（或壓力），顯然這是不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，亦不及時(shí)。而采用變頻調(diào)速后，能自動(dòng)調(diào)速，既能做到壓力穩(wěn)定，節(jié)能降耗，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)PID調(diào)節(jié)。
設(shè)備組成:
（1） 電動(dòng)機(jī) Y500-8，630kW，744r/min，10kV，42.8A，cosφ為0.85；
水泵 揚(yáng)程39m，2700m3/h，730r/min；
（2） 電動(dòng)機(jī) Y500-8，450kW，744r/min，10kV，30.5A，cosφ為0.85；
水泵 揚(yáng)程35m，2146m3/h，730r/min；
3.1.2一次抽水泵
一次抽水泵即將河中的水，經(jīng)泵打入蓄水池，并經(jīng)處理合格后將水送出。水廠布局是一次抽水泵與二次清水泵相距不遠(yuǎn)，按出水量需要，來自動(dòng)控制抽水量，做到經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行，不使過大的進(jìn)水量形成蓄水池的溢出，而浪費(fèi)電能。
3.2
運(yùn)行主回路
吉林某水務(wù)集團(tuán)結(jié)合該自身的實(shí)際情況，為滿足泵站的安全運(yùn)行需求，要求水泵電機(jī)一用一備設(shè)置，因此選擇了新風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中一拖二手動(dòng)運(yùn)行的主回路，主回路圖如圖3所示。其中K1刀閘與K4刀閘互鎖，保證兩路高壓電源不會(huì)同時(shí)作用于變頻回路；K2刀閘與K3刀閘互鎖，保證工頻電源與變頻電源不會(huì)同時(shí)作用于電機(jī)M1；K5刀閘與K6刀閘互鎖，保證工頻電源與變頻電源不會(huì)同時(shí)作用于電機(jī)M2.
圖3
一拖二手動(dòng)主回路圖
選用一拖二的結(jié)構(gòu)，可以保證在電機(jī)在故障時(shí)通過刀開關(guān)的調(diào)節(jié)，變頻啟動(dòng)備用水泵；在用水高峰期時(shí)可以采用工頻運(yùn)行630kW水泵電機(jī)、變頻運(yùn)行450kW水泵電機(jī)的模式來滿足供水水壓的需求；在用水低峰期時(shí)根據(jù)實(shí)際需求選擇變頻運(yùn)行任意一臺(tái)水泵電機(jī)。
3.3
壓力分時(shí)賦值功能
眾所周知，一天不同時(shí)段對(duì)供水母管壓力的需求不同，根據(jù)該廠的實(shí)際情況以及多年的母管壓力記錄數(shù)據(jù)，風(fēng)光變頻器結(jié)合自身主控板優(yōu)越的計(jì)算性能和人機(jī)界面友好的交互功能及靈活性的組態(tài)功能，針對(duì)自來水廠恒壓供水的特點(diǎn)開發(fā)了壓力分時(shí)賦值功能。壓力分時(shí)賦值設(shè)置畫面如圖4所示，該功能將一天的24小時(shí)分為12個(gè)時(shí)間區(qū)段，每個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)該時(shí)間段頂峰壓力值的百分比（實(shí)際就是圖4中的壓力設(shè)置Vi值）。
圖4
壓力分時(shí)賦值設(shè)置畫面
變頻器人機(jī)界面在運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)按照設(shè)置好的壓力值賦值到主控，然后變頻器主控將運(yùn)行頻率調(diào)整至該壓力值對(duì)應(yīng)的頻率，時(shí)間段與壓力值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
如果某時(shí)間段內(nèi)壓力值設(shè)定為0，則該時(shí)間段變頻器將處于待機(jī)狀態(tài)，不輸出高壓電。
例如，將P1設(shè)定為0，則變頻器在(0－t1)時(shí)間段內(nèi)處于待機(jī)狀態(tài)，而在（t1-t2）時(shí)間段內(nèi)自動(dòng)以P2（P2大于0）壓力值運(yùn)行。將P8設(shè)為0，（t6-t7）時(shí)間段內(nèi)以P7（P7大于0）壓力值運(yùn)行，（t7-t8）時(shí)間段內(nèi)待機(jī)，（t8-t9）時(shí)間段內(nèi)以P9（P9大于0）頻率運(yùn)行。
如果不需要設(shè)置12個(gè)時(shí)間段，則只需將多余時(shí)間段的時(shí)間及壓力值與用到的第一個(gè)壓力值設(shè)置成一樣即可。如圖4所示，假如只用到10個(gè)頻率段，則只需要將剩余的2個(gè)時(shí)間段全部設(shè)置為0時(shí)0分、壓力值設(shè)置為80%即可，即與第一個(gè)時(shí)間段的時(shí)間和壓力值設(shè)置成一樣。
4
結(jié)束語
風(fēng)光高壓變頻器在該水務(wù)集團(tuán)實(shí)際運(yùn)行以后，提高了水廠的自動(dòng)化水平，減小了人為操作產(chǎn)生的錯(cuò)誤。為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)產(chǎn)生了明顯的社會(huì)效益。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在節(jié)能降耗的大背景下，水廠的自動(dòng)化改造也會(huì)越來越常態(tài)化，這為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用提供了廣泛的前景。
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