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1引言

隨著(zhù)城鎮化進(jìn)程的不斷發(fā)展以及城市家庭人均用水量的不斷提高，對城市水系統的要求越來(lái)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(huì )出現在用水高峰期時(shí)水壓不足的現象，造成很多城市公用管網(wǎng)水壓變動(dòng)較大，且每天的不同時(shí)段對水壓的要求也不同，僅僅靠人工調節出口閥門(mén)開(kāi)度及頻繁開(kāi)停泵來(lái)調節流量，很難及時(shí)有效的達到目的。這種情況下造成用水高峰期時(shí)水位達不到要求，供水壓力不足，用水低峰期時(shí)供水水位超標，壓力過(guò)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(guò)高容易造成爆管事故。吉林某市水務(wù)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的自動(dòng)化水平，經(jīng)過(guò)充分的市場(chǎng)調研和嚴格的招投標程序，決定使用新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司的JD-BP37/38系列高壓變頻調速系統。風(fēng)光變頻調速系統具有完善的PID控制功能，該功能根據水廠(chǎng)出口處的水壓值自動(dòng)調節水泵電機的運行速率，實(shí)現了城市供水管網(wǎng)的恒壓供水。
2 PID控制及自來(lái)水廠(chǎng)的恒壓供水應用
2.1 PID控制原理

PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進(jìn)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(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時(shí)系統輸出存在穩態(tài)誤差。該系數加大，可以加快調節速度，但如果過(guò)大，系統容易因超調而震蕩。
    (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(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統，如果在進(jìn)入穩態(tài)后存在穩態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統是有穩態(tài)誤差的，或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統。為了消除穩態(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(shí)間的積分，隨著(zhù)時(shí)間的增加，積分項會(huì )增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩態(tài)誤差進(jìn)一步減小。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進(jìn)入穩態(tài)后無(wú)穩態(tài)誤差。在不需要比例調節，只單獨需要積分調節，并且調節器作反向調節時(shí)，設置為PID反。該系數絕對值加大，調節器響應速度變慢。
    (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(guān)系。 自動(dòng)控制系統在克服誤差的調節過(guò)程中可能會(huì )出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節）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(shí)，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說(shuō)，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。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。在不需要比例調節，只單獨需要微分調節，并且調節器作反向調節時(shí)，設置PID反。該系數絕對值加大，可以加快調節器動(dòng)態(tài)響應速度。
（4）PID控制實(shí)現過(guò)程

比例-積分-微分控制規律，即PID控制,是集三者之長(cháng)：既有比例作用的及時(shí)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。當偏差階躍出現時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)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律，因此可使系統比較穩定；而積分作用慢慢把誤差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數選擇得當，便可充分發(fā)揮三種控制規律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。
2.2 風(fēng)光變頻器PID控制參數介紹

為滿(mǎn)足不同用戶(hù)對不同現場(chǎng)PID功能的要求，變頻器主控程序在設計時(shí)預留了不同的參數，用戶(hù)可以根據自身的實(shí)際需求“私人訂制”P(pán)ID功能。
最大壓力設定（1~30000）
根據現場(chǎng)水壓的實(shí)際壓力設置，單位可選擇kPa或Pa（在HMI中有相應的參數）。
PID結構（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(shí)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(shí)起作用
    默認為PID控制比例增益和積分增益同時(shí)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(guò)通信給定（一般為HMI）
        1：AI1        即變頻器閉環(huán)設定（如壓力）通過(guò)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(guò)主控板的AI2端子給定
        AI1、AI2是風(fēng)光變頻器對2路模擬量輸入定義的名稱(chēng)。
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(guò)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(guò)主控板的AI2端子給定
比例系數（0.00~5.00）：設置、調整比例系數
比例系數越大則響應越快，過(guò)大容易產(chǎn)振蕩。
積分系數（0.1~100.0）：設置、調整積分系數
僅用比例系數調節，不能完全消除偏差，為了消除殘留偏差，可采用積分增益，構成PI控制。積分時(shí)間越小對偏差響應越快，但過(guò)小容易產(chǎn)生振蕩。                    
微分系數（0.0~5.0）：設置、調整微分系數
PID設定和反饋誤差的變化率乘以此參數作為PID控制中微分環(huán)節的輸出。它能預測誤差變化的趨勢，能加快系統的響應，改善系統在調節過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，此參數值過(guò)大，容易產(chǎn)生振蕩。
閉環(huán)調節特性選擇（0~1）
    0：PID為正特性
    1：PID為負特性
為滿(mǎn)足現場(chǎng)不同壓力變送器的特性，特意設置此參數。
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。
在現場(chǎng)實(shí)際應用中，一般選擇HMI給定目標壓力，通過(guò)AI1端子給定反饋壓力，根據現場(chǎng)的實(shí)際情況調節相應的系數，便可實(shí)現PID功能控制。
2.3 自來(lái)水廠(chǎng)恒壓供水系統
   為滿(mǎn)足不同時(shí)段不同地區的用水壓力需求，該水廠(chǎng)采用先進(jìn)的恒壓供水控制系統，可以對水廠(chǎng)出口處的水壓值V進(jìn)行精確的處理和控制，并與壓力設置值Vi構成閉環(huán)控制系統。恒壓供水系統原理如圖2所示。變頻器內部的主控DSP采集供水壓力值V與用戶(hù)給定值Vi進(jìn)行比較和運算，通過(guò)PID進(jìn)行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到供水壓力的給定值Vi。不管系統供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。

 
圖2恒壓供水系統原理圖

3 現場(chǎng)應用
3.1 系統介紹
3.1.1二次清水泵
      二次清水泵即可供應合格的自來(lái)水，經(jīng)水泵加壓后，直接送管內供給用戶(hù)。該廠(chǎng)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(shí)段開(kāi)630kW一臺，低峰時(shí)段開(kāi)450kW一臺。在夏天高峰流量時(shí)要開(kāi)630kW一臺，再加450kW一臺，過(guò)去是采用人工方式調節出口閥門(mén)來(lái)調節流量（或壓力），顯然這是不經(jīng)濟的運行方式，亦不及時(shí)。而采用變頻調速后，能自動(dòng)調速，既能做到壓力穩定，節能降耗，又能實(shí)現自動(dòng)閉環(huán)PID調節。
設備組成:
（1） 電動(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(lái)自動(dòng)控制抽水量，做到經(jīng)濟合理的運行，不使過(guò)大的進(jìn)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(wù)集團結合該自身的實(shí)際情況，為滿(mǎn)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(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調速系統中一拖二手動(dòng)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(huì )同時(shí)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(huì )同時(shí)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(huì )同時(shí)作用于電機M2.

 
圖3 一拖二手動(dòng)主回路圖

選用一拖二的結構，可以保證在電機在故障時(shí)通過(guò)刀開(kāi)關(guān)的調節，變頻啟動(dòng)備用水泵；在用水高峰期時(shí)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(lái)滿(mǎn)足供水水壓的需求；在用水低峰期時(shí)根據實(shí)際需求選擇變頻運行任意一臺水泵電機。
3.3 壓力分時(shí)賦值功能

眾所周知，一天不同時(shí)段對供水母管壓力的需求不同，根據該廠(chǎng)的實(shí)際情況以及多年的母管壓力記錄數據，風(fēng)光變頻器結合自身主控板優(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(lái)水廠(chǎng)恒壓供水的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了壓力分時(shí)賦值功能。壓力分時(shí)賦值設置畫(huà)面如圖4所示，該功能將一天的24小時(shí)分為12個(gè)時(shí)間區段，每個(gè)時(shí)間段對應該時(shí)間段頂峰壓力值的百分比（實(shí)際就是圖4中的壓力設置Vi值）。

 
圖4 壓力分時(shí)賦值設置畫(huà)面

變頻器人機界面在運行中根據實(shí)際運行時(shí)間自動(dòng)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整至該壓力值對應的頻率，時(shí)間段與壓力值的對應關(guān)系如表1所示。

如果某時(shí)間段內壓力值設定為0，則該時(shí)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(shí)間段內處于待機狀態(tài)，而在（t1-t2）時(shí)間段內自動(dòng)以P2（P2大于0）壓力值運行。將P8設為0，（t6-t7）時(shí)間段內以P7（P7大于0）壓力值運行，（t7-t8）時(shí)間段內待機，（t8-t9）時(shí)間段內以P9（P9大于0）頻率運行。
如果不需要設置12個(gè)時(shí)間段，則只需將多余時(shí)間段的時(shí)間及壓力值與用到的第一個(gè)壓力值設置成一樣即可。如圖4所示，假如只用到10個(gè)頻率段，則只需要將剩余的2個(gè)時(shí)間段全部設置為0時(shí)0分、壓力值設置為80%即可，即與第一個(gè)時(shí)間段的時(shí)間和壓力值設置成一樣。
4 結束語(yǔ)

風(fēng)光高壓變頻器在該水務(wù)集團實(shí)際運行以后，提高了水廠(chǎng)的自動(dòng)化水平，減小了人為操作產(chǎn)生的錯誤。為水廠(chǎng)創(chuàng )造了巨大的經(jīng)濟效益，同時(shí)產(chǎn)生了明顯的社會(huì )效益。隨著(zhù)城鎮化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在節能降耗的大背景下，水廠(chǎng)的自動(dòng)化改造也會(huì )越來(lái)越常態(tài)化，這為高壓變頻調速系統的應用提供了廣泛的前景。