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技術(shù)服務(wù)

臺(tái)達(dá)變頻器在水廠恒壓供水中的應(yīng)用

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  • 發(fā)布日期:2018-01-05

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CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,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。
2.1PID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)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,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。

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(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www.cechina.cn,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,其控制過程如圖2所示。
Kp:比例常數(shù) 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(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;MC3變頻運(yùn)行時(shí)閉合,工頻運(yùn)行時(shí)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(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(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,通過轉(zhuǎn)換開關(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。
3.2PID控制設(shè)計(jì)
    將出廠水總管壓力壓力傳感器傳來的電流信號(hào)(4-20mA)輸入到三菱變頻器反饋信號(hào)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(hào)輸出,該電流信號(hào)作為PID信號(hào)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(hào)計(jì)算出偏差量I(t),按照PID的微積分控制規(guī)則計(jì)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)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,具有控制壓力穩(wěn)定,無沖擊等特點(diǎn)。在實(shí)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(shí)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(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),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(xiǎn)系數(shù);如果結(jié)合管網(wǎng)GIS模型,用城市管網(wǎng)多點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)作為信號(hào)反饋,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)代控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,使得供水企業(yè)服務(wù)水壓和供水能耗達(dá)到一個(gè)更加優(yōu)化的平衡。

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