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調節器，PID算法編程難度大，設備成本高，調試困難。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用帶有內置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的變頻增壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產(chǎn)效率，節省了安裝調試時(shí)間 

關(guān)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(wèn)世以來(lái)，變頻調速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。變頻增壓供水設備以其節能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著(zhù)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。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(chǎn)品質(zhì)量等方面有著(zhù)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(shí)現電機的無(wú)級調速，從而使管網(wǎng)水壓連續變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設定單元為系統提供滿(mǎn)足用戶(hù)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(jīng)可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個(gè)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(jìn)行運算后，輸出給變頻器一個(gè)轉速調節信號，如圖1中虛線(xiàn)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(kāi)始工作時(shí)，先起動(dòng)變頻泵，管網(wǎng)水壓達到設定值時(shí)，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(shí)，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(gè)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(wǎng)水壓達到設定值時(shí)，可編程控制器或PID回路調節器就發(fā)出控制信號，起動(dòng)一臺工頻泵，其他泵依次類(lèi)推。反之，當用水量減少，變頻器的輸出頻率達到較小值時(shí)，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回路調節器給出的，所以對可編程控制器來(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(méi)有降低，還增加了連線(xiàn)和附加設備，降低了整套設備的可靠性。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(chǎn)生和輸出就成為降低給水設備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。

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(chǎn)廠(chǎng)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調節器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。這類(lèi)變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略微高一點(diǎn)，但功能卻強很多，所以我們在山東文登曲軸廠(chǎng)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(mén)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(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，由可編程控制器控制兩臺泵同時(shí)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A(yíng)I2+、AI2-，而壓力設定既可以使用變頻器的鍵盤(pán)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(guò)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(jīng)過(guò)現場(chǎng)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(xiàn)調試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時(shí)，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(shí)間常數，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統的調試非常簡(jiǎn)單、方便。該變頻增壓供水設備自1997年10月在該生活小區運行以來(lái)，一直保持良好的運行狀態(tài)，管網(wǎng)水壓非常穩定，受到了小區用戶(hù)的一致好評。