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內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器在恒壓變頻供水設(shè)備中的應(yīng)用

一、引言

      自從通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來(lái)越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。

二、傳統(tǒng)的變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備設(shè)計(jì)方案

      變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)，如圖1中虛線所示。一般的供水設(shè)備控制1~3臺(tái)水泵，1~2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。在這些水泵中，一般只有一臺(tái)變頻泵。當(dāng)供水設(shè)備供電開(kāi)始工作時(shí)，先起動(dòng)變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在一定的數(shù)值上。而當(dāng)用水量增加，水壓降低時(shí)，傳感器將這一信號(hào)送入可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器，可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器則送出一個(gè)較用水量增加前大的信號(hào)，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉(zhuǎn)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(dá)到最大值，仍不能使管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器就發(fā)出控制信號(hào)，起動(dòng)一臺(tái)工頻泵，其他泵依次類推。反之，當(dāng)用水量減少，變頻器的輸出頻率達(dá)到最小值時(shí)，則發(fā)出減少一臺(tái)工頻電機(jī)的命令。圖1中M1~M3為電機(jī)，P1~P3為水泵，JC1~JC6為電機(jī)起、停、互相切換的交流接觸器。

      由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來(lái)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(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂谱冾l器轉(zhuǎn)速的模擬信號(hào)，造成可編程控制器的成本沒(méi)有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個(gè)PID回路調(diào)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(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

三、新型變頻調(diào)速供水設(shè)備的解決方案

      針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國(guó)外不少生產(chǎn)廠家近年來(lái)紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列產(chǎn)品，富士公司的G11S/P11S系列產(chǎn)品,北京菱科LK600P系列。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。這類變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略微高一點(diǎn)，但功能卻強(qiáng)很多，所以我們?cè)谏綎|文登曲軸廠新建的生活小區(qū)中就采用了這種新型的設(shè)計(jì)方案。在這套給水設(shè)備中，我們采用了ABB公司的ACS601-0011-3帶內(nèi)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(jī)，P1~P2為水泵，JC1~JC4為電機(jī)起、停、互相切換的交流接觸器。

      該變頻調(diào)速恒壓給水設(shè)備采用2臺(tái)水泵，一用一備，由可編程控制器定時(shí)切換。若用水量大，變頻器也可以通過(guò)可編程接口向可編程控制器發(fā)出信號(hào)，由可編程控制器控制兩臺(tái)泵同時(shí)工作，一臺(tái)變頻運(yùn)行，一臺(tái)工頻運(yùn)行。圖2中傳感器反饋的水壓信號(hào)直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口AI2+、AI2-，而壓力設(shè)定既可以使用變頻器的鍵盤以數(shù)字量的形式設(shè)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(guò)變頻器的控制面板，在變頻器的PID選項(xiàng)中選擇合適的PID參數(shù)，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正，設(shè)備就可以正常運(yùn)行了。 

      由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。該設(shè)備自1997年10月在該生活小區(qū)運(yùn)行以來(lái)，一直保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，管網(wǎng)水壓非常穩(wěn)定，受到了小區(qū)用戶的一致好評(píng)。