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(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，實現(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)。
關(guān)鍵詞：變頻器    PID控制    恒壓供水
Abstract：This article described application Of PID control based on frequency converter under constant pressure water supply system automation control. This case, we use  the frequency converter energy saving surge capacity, with frequency converter built-in PID control algorithm is as the core, with modern advanced PLC network technology as the platform, realize the waterworks intelligent remote monitoring of constant pressure water supply, water pumping stations for the stability, energy saving, safety operation lay the foundation.
Key words：Inverter   PID control   Constant pressure control
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，如何低能耗及滿足承諾服務(wù)水壓中找到一個平衡是現(xiàn)代供水企業(yè)密切關(guān)注及研究的一個課題。變頻技術(shù)的發(fā)展使憋閥門調(diào)壓成為歷史，而PID技術(shù)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(jī)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(yùn)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(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。
2PID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(shè)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(jié)合珠海市西部某水廠實際應(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。
2.1PID恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)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(luò)（S7-300及S7-200由Profibus-DP構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)）、人機(jī)界面（WINCC）、兩臺臺達(dá)VFD-F變頻器分別一對一拖動兩臺水泵電機(jī)（KQSN-500M9/621）、壓力變送器、水池液位計等組成。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（4-20mA電流）。水廠PID自動恒壓供水系統(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(yùn)算是P、I、D三個運(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(jī)構(gòu)去影響被控制對象的變化，其控制過程如圖2所示。

      同時該變頻器內(nèi)置了復(fù)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(jìn)行切換時實現(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)行時間滿足后（這里分別設(shè)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(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)行時閉合，變頻運(yùn)行時斷開；MC3變頻運(yùn)行時閉合，工頻運(yùn)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(yùn)行信號及變頻運(yùn)行信號等均接入PLC，作為增減機(jī)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(shè)計
3.1PLC控制設(shè)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(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(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)時間足夠長后，S7-200啟動水泵機(jī)組增減機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)增減機(jī)操作3#機(jī)組，并實行PID控制，達(dá)到恒壓供水的目的。增機(jī)操作為先啟動2#機(jī)組，2#工頻運(yùn)行后，啟動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，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實現(xiàn)任一臺變頻器對其拖動。機(jī)組操作必須滿足必要的時間間隔。
3.2PID控制設(shè)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(jī)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(shè)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(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整壓力的需求，完成變速恒壓供水的目的。
4結(jié)束語
      該系統(tǒng)采用變頻器內(nèi)部PID算法控制，結(jié)合先進(jìn)PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有控制壓力穩(wěn)定，無沖擊等特點。在實際運(yùn)行中，操作員根據(jù)管網(wǎng)用水量的需求情況可在遠(yuǎn)程人機(jī)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(dá)到平衡。系統(tǒng)在運(yùn)行中采用變頻器對電機(jī)實現(xiàn)軟啟動，減少設(shè)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(fēng)險系數(shù)；如果結(jié)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(shù)的心時代，使得供水企業(yè)服務(wù)水壓和供水能耗達(dá)到一個更加優(yōu)化的平衡。
作者簡介
吳學(xué)志（1976-）廠長，電氣工程師，任職于珠海水務(wù)集團(tuán)有限公司斗門分公司，主要研究方向為電氣自動化控制。
楊江華（1981-）副廠長，機(jī)電工程師，任職于珠海水務(wù)集團(tuán)有限公司斗門分公司，主要研究方向為機(jī)電設(shè)備智能化控制。
參考文獻(xiàn)
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