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變頻器內置PID功能在變頻增壓供水設備中的應用

    摘要： 以往的變頻增壓供水設備，往往采用帶有模入/模出的可編程控制器或PID調節(jié)器，PID算法編程難度大，設備成本高，調試困難。隨著電力電子技術的發(fā)展，采用帶有內置PID功能的變頻器生產出的變頻增壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產效率，節(jié)省了安裝調試時間 

關鍵詞： 變頻調速 恒壓供水設備 PID 降低成本 效率 

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。變頻增壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點，在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)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，對合理設計變頻增壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面有著非常重要的意義。

二、傳統的變頻增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(xù)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(jié)器，由PID回路調節(jié)器在調節(jié)器內部進行運算后，輸出給變頻器一個轉速調節(jié)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(wěn)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(jié)器，可編程控制器或PID回路調節(jié)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較大值，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(jié)器就發(fā)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較小值時，則發(fā)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(jié)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?yōu)榭刂谱冾l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(jié)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(huán)節(jié)。

三、新型變頻增壓供水設備的解決方案

    針對傳統的變頻增壓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(jié)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(qū)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。

　　該變頻增壓供水設備采用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(fā)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(jié)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(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節(jié)十分平滑，穩(wěn)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。該變頻增壓供水設備自1997年10月在該生活小區(qū)運行以來，一直保持良好的運行狀態(tài)，管網水壓非常穩(wěn)定，受到了小區(qū)用戶的一致好評。