1引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷發(fā)展以及城市家庭人均用水量的不斷提高，對城市水系統(tǒng)的要求越來越高。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，往往會出現(xiàn)在用水高峰期時水壓不足的現(xiàn)象，造成很多城市公用管網(wǎng)水壓變動較大，且每天的不同時段對水壓的要求也不同，僅僅靠人工調(diào)節(jié)出口閥門開度及頻繁開停泵來調(diào)節(jié)流量，很難及時有效的達到目的。這種情況下造成用水高峰期時水位達不到要求，供水壓力不足，用水低峰期時供水水位超標，壓力過高。不僅造成了水資源的嚴重浪費而且存在巨大的事故隱患，如壓力過高容易造成爆管事故。吉林某市水務集團負責全市的居民及工業(yè)用水，為解決上述矛盾和提高供水系統(tǒng)的自動化水平，經(jīng)過充分的市場調(diào)研和嚴格的招投標程序，決定使用新風光電子科技發(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調(diào)節(jié)水泵電機的運行速率，實現(xiàn)了城市供水管網(wǎng)的恒壓供水。
2 PID控制及自來水廠的恒壓供水應用
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、微分計算出控制量進行控制的。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單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的，或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在不需要比例調(diào)節(jié)，只單獨需要積分調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)器作反向調(diào)節(jié)時，設置為PID反。該系數(shù)絕對值加大，調(diào)節(jié)器響應速度變慢。
    (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的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。在不需要比例調(diào)節(jié)，只單獨需要微分調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)器作反向調(diào)節(jié)時，設置PID反。該系數(shù)絕對值加大，可以加快調(diào)節(jié)器動態(tài)響應速度。
（4）PID控制實現(xiàn)過程

比例-積分-微分控制規(guī)律，即PID控制,是集三者之長：既有比例作用的及時迅速，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。當偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，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。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。
2.2 風光變頻器PID控制參數(shù)介紹

為滿足不同用戶對不同現(xiàn)場PID功能的要求，變頻器主控程序在設計時預留了不同的參數(shù)，用戶可以根據(jù)自身的實際需求“私人訂制”PID功能。
最大壓力設定（1~30000）
根據(jù)現(xiàn)場水壓的實際壓力設置，單位可選擇kPa或Pa（在HMI中有相應的參數(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起作用
    默認為PID控制比例增益和積分增益同時起作用
PID設定通道選擇（0~2）：設定PID目標值的通道
        0：HMI       即變頻器閉環(huán)設定（如壓力）通過通信給定（一般為HMI）
        1：AI1        即變頻器閉環(huán)設定（如壓力）通過主控板的AI1端子給定
        2：AI2        即變頻器閉環(huán)設定（如壓力）通過主控板的AI2端子給定
        AI1、AI2是風光變頻器對2路模擬量輸入定義的名稱。
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）通過主控板的AI2端子給定
比例系數(shù)（0.00~5.00）：設置、調(diào)整比例系數(shù)
比例系數(shù)越大則響應越快，過大容易產(chǎn)振蕩。
積分系數(shù)（0.1~100.0）：設置、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。積分時間越小對偏差響應越快，但過小容易產(chǎn)生振蕩。                    
微分系數(shù)（0.0~5.0）：設置、調(diào)整微分系數(shù)
PID設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。它能預測誤差變化的趨勢，能加快系統(tǒng)的響應，改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性，此參數(shù)值過大，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為負特性
為滿足現(xiàn)場不同壓力變送器的特性，特意設置此參數(shù)。
正特性：反饋模擬量4-20mA代表最小值-最大值。
負特性：反饋模擬量4-20mA代表最大值-最小值。
在現(xiàn)場實際應用中，一般選擇HMI給定目標壓力，通過AI1端子給定反饋壓力，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況調(diào)節(jié)相應的系數(shù)，便可實現(xiàn)PID功能控制。
2.3 自來水廠恒壓供水系統(tǒng)
   為滿足不同時段不同地區(qū)的用水壓力需求，該水廠采用先進的恒壓供水控制系統(tǒng)，可以對水廠出口處的水壓值V進行精確的處理和控制，并與壓力設置值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進行比較和運算，通過PID進行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器，直至達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)場應用
3.1 系統(tǒng)介紹
3.1.1二次清水泵
      二次清水泵即可供應合格的自來水，經(jīng)水泵加壓后，直接送管內(nèi)供給用戶。該廠有4臺電壓10kV，其中2臺630kW，2臺450kW，相同功率的電機互為備用。高峰時段開630kW一臺，低峰時段開450kW一臺。在夏天高峰流量時要開630kW一臺，再加450kW一臺，過去是采用人工方式調(diào)節(jié)出口閥門來調(diào)節(jié)流量（或壓力），顯然這是不經(jīng)濟的運行方式，亦不及時。而采用變頻調(diào)速后，能自動調(diào)速，既能做到壓力穩(wěn)定，節(jié)能降耗，又能實現(xiàn)自動閉環(huán)PID調(diào)節(jié)。
設備組成:
（1） 電動機   Y500-8，630kW，744r/min，10kV，42.8A，cosφ為0.85；
水泵   揚程39m，2700m³/h，730r/min；
（2） 電動機   Y500-8，450kW，744r/min，10kV，30.5A，cosφ為0.85；
水泵  揚程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，按出水量需要，來自動控制抽水量，做到經(jīng)濟合理的運行，不使過大的進水量形成蓄水池的溢出，而浪費電能。
3.2 運行主回路
吉林某水務集團結(jié)合該自身的實際情況，為滿足泵站的安全運行需求，要求水泵電機一用一備設置，因此選擇了新風光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中一拖二手動運行的主回路，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同時作用于變頻回路；K2刀閘與K3刀閘互鎖，保證工頻電源與變頻電源不會同時作用于電機M1；K5刀閘與K6刀閘互鎖，保證工頻電源與變頻電源不會同時作用于電機M2.

 
圖3 一拖二手動主回路圖

選用一拖二的結(jié)構(gòu)，可以保證在電機在故障時通過刀開關的調(diào)節(jié)，變頻啟動備用水泵；在用水高峰期時可以采用工頻運行630kW水泵電機、變頻運行450kW水泵電機的模式來滿足供水水壓的需求；在用水低峰期時根據(jù)實際需求選擇變頻運行任意一臺水泵電機。
3.3 壓力分時賦值功能

眾所周知，一天不同時段對供水母管壓力的需求不同，根據(jù)該廠的實際情況以及多年的母管壓力記錄數(shù)據(jù)，風光變頻器結(jié)合自身主控板優(yōu)越的計算性能和人機界面友好的交互功能及靈活性的組態(tài)功能，針對自來水廠恒壓供水的特點開發(fā)了壓力分時賦值功能。壓力分時賦值設置畫面如圖4所示，該功能將一天的24小時分為12個時間區(qū)段，每個時間段對應該時間段頂峰壓力值的百分比（實際就是圖4中的壓力設置Vi值）。

 
圖4 壓力分時賦值設置畫面

變頻器人機界面在運行中根據(jù)實際運行時間自動按照設置好的壓力值賦值到主控，然后變頻器主控將運行頻率調(diào)整至該壓力值對應的頻率，時間段與壓力值的對應關系如表1所示。

如果某時間段內(nèi)壓力值設定為0，則該時間段變頻器將處于待機狀態(tài)，不輸出高壓電。
例如，將P1設定為0，則變頻器在(0－t1)時間段內(nèi)處于待機狀態(tài)，而在（t1-t2）時間段內(nèi)自動以P2（P2大于0）壓力值運行。將P8設為0，（t6-t7）時間段內(nèi)以P7（P7大于0）壓力值運行，（t7-t8）時間段內(nèi)待機，（t8-t9）時間段內(nèi)以P9（P9大于0）頻率運行。
如果不需要設置12個時間段，則只需將多余時間段的時間及壓力值與用到的第一個壓力值設置成一樣即可。如圖4所示，假如只用到10個頻率段，則只需要將剩余的2個時間段全部設置為0時0分、壓力值設置為80%即可，即與第一個時間段的時間和壓力值設置成一樣。
4 結(jié)束語

風光高壓變頻器在該水務集團實際運行以后，提高了水廠的自動化水平，減小了人為操作產(chǎn)生的錯誤。為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，同時產(chǎn)生了明顯的社會效益。隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，在節(jié)能降耗的大背景下，水廠的自動化改造也會越來越常態(tài)化，這為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應用提供了廣泛的前景。