內置PID調節器在恒壓變頻供水設備中的應用

一、引言

      自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，在實際應用中得到了很大的發展。隨著電力電子技術的飛速發展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面有著非常重要的意義。

二、傳統的變頻調速恒壓供水設備設計方案

      變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓，壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由PID回路調節器在調節器內部進行運算后，輸出給變頻器一個轉速調節信號，如圖1中虛線所示。一般的供水設備控制1~3臺水泵，1~2臺工作，1臺備用。在這些水泵中，一般只有一臺變頻泵。當供水設備供電開始工作時，先起動變頻泵，管網水壓達到設定值時，變頻器的輸出頻率則穩定在一定的數值上。而當用水量增加，水壓降低時，傳感器將這一信號送入可編程控制器或PID回路調節器，可編程控制器或PID回路調節器則送出一個較用水量增加前大的信號，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉速提高，水壓上升。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達到最大值，仍不能使管網水壓達到設定值時，可編程控制器或PID回路調節器就發出控制信號，起動一臺工頻泵，其他泵依次類推。反之，當用水量減少，變頻器的輸出頻率達到最小值時，則發出減少一臺工頻電機的命令。圖1中M1~M3為電機，P1~P3為水泵，JC1~JC6為電機起、停、互相切換的交流接觸器。

      由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制變頻器轉速的模擬信號，造成可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。

三、新型變頻調速供水設備的解決方案

      針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，國外不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列產品，富士公司的G11S/P11S系列產品,北京菱科LK600P系列。這些產品將PID調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略微高一點，但功能卻強很多，所以我們在山東文登曲軸廠新建的生活小區中就采用了這種新型的設計方案。在這套給水設備中，我們采用了ABB公司的ACS601-0011-3帶內置PID功能的變頻器，可編程控制器選用西門子S7-214-1BC10-0XB0型，具體原理框圖如圖2所以示。圖2中M1~M2為電機，P1~P2為水泵，JC1~JC4為電機起、停、互相切換的交流接觸器。

      該變頻調速恒壓給水設備采用2臺水泵，一用一備，由可編程控制器定時切換。若用水量大，變頻器也可以通過可編程接口向可編程控制器發出信號，由可編程控制器控制兩臺泵同時工作，一臺變頻運行，一臺工頻運行。圖2中傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調節器輸入口AI2+、AI2-，而壓力設定既可以使用變頻器的鍵盤以數字量的形式設定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入AI1+、AI1-。這樣通過變頻器的控制面板，在變頻器的PID選項中選擇合適的PID參數，并經過現場調試校正，設備就可以正常運行了。 

      由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。該設備自1997年10月在該生活小區運行以來，一直保持良好的運行狀態，管網水壓非常穩定，受到了小區用戶的一致好評。