基于PID功能的變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的運(yùn)用研究

丁巖

【摘要】恒壓供水系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用在消防、工業(yè)、高層建筑等場(chǎng)所，特別是恒壓供水系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用具有PID功能的變頻器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的循環(huán)供水，極大地提高了恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常明顯，因此應(yīng)加大對(duì)恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用PID功能變頻器的分析研究，充分發(fā)揮變頻器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不斷提升恒壓供水系統(tǒng)的運(yùn)行效率。本文分析了

【關(guān)鍵詞】PID功能；變頻器；恒壓供水系統(tǒng)；運(yùn)用

近年來(lái)，變頻器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，在恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)用具有PID功能的變頻器，和傳統(tǒng)的氣壓罐供水系統(tǒng)、高位水箱供水系統(tǒng)以及恒速泵供水系統(tǒng)相比，其能耗較少，具有較強(qiáng)的靈活性，并且供水質(zhì)量更高。在實(shí)際應(yīng)用中，基于PID功能的變頻器對(duì)于供水系統(tǒng)的閥門(mén)、泵組進(jìn)行邏輯控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控供水系統(tǒng)的各個(gè)控制點(diǎn)和運(yùn)行參數(shù)，為了恒壓供水系統(tǒng)的規(guī)范化管理提供了重要技術(shù)支持。

一、恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

1、結(jié)構(gòu)組成

恒壓供水系統(tǒng)是指管網(wǎng)中水壓不會(huì)隨著水量的大小而發(fā)生變化，其時(shí)刻保持基本恒定，不僅可以滿足建筑物中不同樓層的用水需求，而且避免了電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)浪費(fèi)大量的電能。在實(shí)際應(yīng)用中，恒壓供水系統(tǒng)主要有以下兩種控制形式：其一，電機(jī)調(diào)速控制供水系統(tǒng)；其二，PLC（可編程控制器）控制供水系統(tǒng)，控制泵組的運(yùn)行速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行的泵組臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制管網(wǎng)供水壓力，即使供水管網(wǎng)在不同時(shí)間段中水流量出現(xiàn)大幅度變化，也能保持其水壓的穩(wěn)定性，有效節(jié)約電能。恒業(yè)供水系統(tǒng)主要由水泵、壓力傳感器、繼電器、FR-A540變頻器、觸摸屏、PLC等組成[1]，變頻器PID具有比較、差分的功能，利用具有PID功能的變頻器可以實(shí)現(xiàn)恒壓控制。

2、 原理

變頻器主要是根據(jù)供水管網(wǎng)的既定壓力和水流壓力來(lái)調(diào)節(jié)和控制其運(yùn)行頻率，當(dāng)既定壓力大于水網(wǎng)壓力時(shí)，變頻器的運(yùn)行頻率不斷提高；當(dāng)既定壓力小于水網(wǎng)壓力時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率下降。當(dāng)供水管網(wǎng)中的水流量不斷增大時(shí)，會(huì)降低變頻器泵組的運(yùn)行壓力，為了保障恒壓供水系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)需多增加幾組水泵，對(duì)于水泵的變頻/工頻和泵數(shù)通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)切換控制，從而確保供水系統(tǒng)保持恒定的供水壓力，節(jié)約大量的水資源和電能。

3、 實(shí)現(xiàn)方法

恒壓供水系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，主要通過(guò)以下幾種方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水：其一，利用變頻器的PID功能，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)管網(wǎng)的恒壓供水；其二，通過(guò)運(yùn)用變頻器實(shí)現(xiàn)PID恒壓調(diào)節(jié)、多個(gè)水泵的變頻/工頻切換，保障恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；其三，通過(guò)PLC來(lái)控制恒壓供水系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)用中需要增加D/A和A/D轉(zhuǎn)換器；其四，在恒壓供水系統(tǒng)外部設(shè)置PID調(diào)節(jié)器，結(jié)合給定量和反饋量的PID運(yùn)算結(jié)果，變頻器調(diào)節(jié)控制運(yùn)行頻率，這種系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中需要單獨(dú)設(shè)置PID調(diào)節(jié)器，在一定程度上增加了運(yùn)行成本。

二、基于PID功能的變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、參數(shù)設(shè)置

恒壓供水系統(tǒng)主要應(yīng)用FR-A540變頻器，其運(yùn)行穩(wěn)定、性價(jià)比比較高，被廣泛的應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，F(xiàn)R-A540變頻器內(nèi)部包含IPM智能功率模塊，結(jié)合PWM調(diào)制原理，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行噪音比較小，具有較強(qiáng)的抗干擾性能，輸出波形比較完整。FR-A540變頻器具有停電減速運(yùn)行、工頻/變頻的順序切換和順序制動(dòng)以及PID控制功能，可以滿足消防、工業(yè)和高層建筑的供水需求。在實(shí)際應(yīng)用中，工作人員應(yīng)先將變頻器之前的運(yùn)行參數(shù)清除以后再重新設(shè)置參數(shù)，完成參數(shù)設(shè)置后，先停止對(duì)變頻器供電，使其歸位后再重新送電，確保重新設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)生效，在設(shè)定變頻器運(yùn)行參數(shù)時(shí)應(yīng)注意：其一，最高頻率，變頻器的實(shí)際運(yùn)行頻率必須低于其額定頻率，額定頻率就是變頻器設(shè)定的最高頻率，如果變頻器轉(zhuǎn)動(dòng)速度大于標(biāo)準(zhǔn)的額定轉(zhuǎn)速，其內(nèi)部矩陣函數(shù)會(huì)成指數(shù)增加，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害變頻器設(shè)備的穩(wěn)定性；其二，上限頻率，一般情況下，變頻器設(shè)定的上限頻率應(yīng)略低于額定頻率；其三，下限頻率，在設(shè)定變頻器下限頻率時(shí)不能過(guò)低，下限頻率過(guò)低會(huì)造成水泵機(jī)組的運(yùn)行揚(yáng)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際揚(yáng)程，很容易使水泵處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成電能浪費(fèi)。

2、 PID變頻器運(yùn)行控制

（1） 設(shè)定值

結(jié)合恒壓供水系統(tǒng)運(yùn)行要求，結(jié)合變頻器調(diào)節(jié)壓力，確定最佳的設(shè)定值。

（2） 百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換

結(jié)合傳感器的設(shè)定值和輸出值，計(jì)算其對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)傳感器電流值為20mA，輸出壓力為0.5MPa，電流值為4mA，輸出壓力為0MPa，通過(guò)計(jì)算0.1MPa的輸出壓力對(duì)應(yīng)7.2mA電流值[2]。

（3） 微分和積分

恒壓供水系統(tǒng)在應(yīng)用PID功能變頻器時(shí)，設(shè)定較大的比例范圍和積分時(shí)間，設(shè)定小一點(diǎn)的微分時(shí)間。恒壓供水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，若目標(biāo)值不穩(wěn)定，可以適當(dāng)減小微分時(shí)間，增大積分比例范圍和積分時(shí)間，確保目標(biāo)值保持穩(wěn)定。當(dāng)目標(biāo)值趨于平穩(wěn)時(shí)，減小積分比例范圍和積分時(shí)間，增加微分時(shí)間。

3、 系統(tǒng)工作流程

利用FR-A540變頻器的PID控制功能，通過(guò)比較壓力傳感器信號(hào)和水壓設(shè)定值，按照預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)規(guī)律，由變頻器PID控制器來(lái)調(diào)節(jié)兩者的偏差值，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，改變變頻器的運(yùn)行頻率和輸出電壓，使供水管網(wǎng)的水壓保持恒定。恒壓供水系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用PID功能的變頻器，按照先啟動(dòng)先停止、后啟動(dòng)后停止的流程，使各個(gè)水泵機(jī)組能夠軟啟動(dòng)，輪流休息[3]。1號(hào)泵組先啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到變頻器上限頻率時(shí)，若水壓低于設(shè)定值，變頻器運(yùn)行泵自動(dòng)切換為工頻運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)2號(hào)泵啟動(dòng)，滿足用水需求，當(dāng)供水壓力較高，用水量降低，這時(shí)變頻器自動(dòng)切換工頻，保障恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，為了避免恒壓供水系統(tǒng)中的一臺(tái)水泵長(zhǎng)時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，另一臺(tái)閑置生銹，在系統(tǒng)中設(shè)置定時(shí)輪換功能，提高水泵的利用率。

結(jié)束語(yǔ)：

具有PID功能的變頻器損耗小、運(yùn)行效率高，其在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，運(yùn)行效益非常高，不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，而且抗干擾性能和可靠性較高，在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合實(shí)際的設(shè)定水壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力和水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大化的節(jié)水和節(jié)能。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙海濤. 基于變頻器PID功能的恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2015，13：246.

[2]彭旭昀. 一種基于變頻器PID功能的PLC控制恒壓供水系統(tǒng)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2014，10：61-63+105.

[3]付嵐. 基于變頻器PID功能的恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用[J]. 新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，05：66-67.