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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

發(fā)布時(shí)間:2020-04-14 作者:新風(fēng)光

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(lái)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(mén)開(kāi)度及頻繁開(kāi)停泵來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的,或簡(jiǎn)稱(chēng)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(wú)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(guò)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(shuō),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(guò)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(guò)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”P(pán)ID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(guò)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(guò)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(guò)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(chēng)。
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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性,此參數(shù)值過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(kāi)630kW一臺(tái),低峰時(shí)段開(kāi)450kW一臺(tái)。在夏天高峰流量時(shí)要開(kāi)630kW一臺(tái),再加450kW一臺(tái),過(guò)去是采用人工方式調(diào)節(jié)出口閥門(mén)來(lái)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(lái)自動(dòng)控制抽水量,做到經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行,不使過(guò)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(guò)刀開(kāi)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(lái)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(lái)水廠恒壓供水的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了壓力分時(shí)賦值功能。壓力分時(shí)賦值設(shè)置畫(huà)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(huà)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(yǔ)

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(lái)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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