【導讀】PIDregulator.developedcountry,andisbeingriper.

　　

【正文】 e of water conservancy, 5 恒壓供水的 控制與節(jié)能的探索 摘要 :在簡要分析國內(nèi)外給水系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎上 ,介紹了系統(tǒng)的組成 ,提出了以變頻調(diào)速為核心所構(gòu)成的全自動給水系統(tǒng)控制方式 ,并以實例詳細分析了該系統(tǒng)的組成、工作原理以及在控制與節(jié)能方面所表現(xiàn)出的優(yōu)越性 .文中根據(jù)作者的實際使用經(jīng)驗 ,簡要闡述了該系統(tǒng)在應用中應注意的一些問題。 關鍵詞 : 變頻調(diào)速 。恒壓供水。 PID 調(diào)節(jié)器中圖法 一、引 言 目前 ,我國居民小區(qū)與高層建筑的生活供水 ,普遍采用工頻方式 .它存在著能耗大 ,噪音高 ,水源存在二次污染等諸多問題 .而用變頻調(diào)速控制的給水裝置是一種較 為理想的模式 .進入 90 年代中后期 ,隨著變頻調(diào)速技術的不斷發(fā)展與完善 ,基于該項技術的全自動恒壓給水方式已在發(fā)達國家得到廣泛的應用 ,且日趨成熟 .近幾年來 ,作者在變頻調(diào)速給水控制系統(tǒng)的設計與施工方面做了些實際工作 ,積累了一些經(jīng)驗 ,并形成了對于一些問題的看法 .水泵節(jié)能原理變頻調(diào)速系統(tǒng)之所以得到推廣 ,一個很重要的原因就是它有較好的節(jié)能效果 . 一臺水泵的實際揚程與電源頻率的平方成正比 .因而通過變頻器改變水泵電機的供電頻率 ,就可控制水泵的供水壓力 .恒壓供水自動控制變頻恒壓供水原理框圖如圖 1 所示 . 為給定的壓力值 , 為壓力 傳感器從管道上所測得的實際壓力值 ,PID 調(diào)節(jié)器通過對兩者的誤差運算 ,并經(jīng)過控制變頻器的頻率輸出 ,從而使管道的壓力始終保持在設定值上。 該系統(tǒng)能自動檢測用戶的瞬時水壓 ,據(jù)此調(diào)節(jié)給水量的多少及電機的運行狀況 .還可根據(jù)所需的給水壓力設定控制壓力值 ,讓設備始終處于恒壓狀態(tài) ,從負載電機的特性可知 ,所配電機的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比 ,即 .例如 ,當變頻器輸出頻率為 35Hz(最高設定為 50Hz),也就是實際轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的 70%時 ,調(diào)速器的用電量為 ,約占額定的 35%.也就是說 ,水泵總處于恒壓變流量匹配方式的 工作狀態(tài) ,從而消除了超壓和回流的無功損耗 .恒速與變頻調(diào)速軸功率變化曲線如圖 2所示 ,比較可知 ,變頻調(diào)速方式節(jié)能效果最為明顯。 二、實例分析： 恒壓供水 是通過變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)水的流量從而達到恒壓的目的 ,它最終控制的目標是水壓 .控制對象具有非線性、滯后特性 .PID 調(diào)節(jié)器性能的好壞 ,在很大程度上決定了 恒壓供水 的質(zhì)量 .當系統(tǒng)在啟動與停止階段 ,或壓力設定值大幅度變化時 ,由于在短時間內(nèi)存在很大的偏差 ,因而無論 PID 調(diào)節(jié)器的控制算法采用增量式還是位置式 ,其積分項將取蓄水池、水泵組 (1M,2M)及相關輔配件構(gòu)成 .本系統(tǒng)的核心是 變頻調(diào)速控制柜 ,它通過壓力傳感器對管網(wǎng)壓力進行實時監(jiān)測 ,并轉(zhuǎn)換為電信號提供給變頻器進行運算 ,通過變頻器、可編程控制器 PLC 與繼電器陣列的共同控制 ,構(gòu)成了完善的全自動變頻調(diào)速給水系統(tǒng)。 變頻器的品種繁多 ,如三菱、富士、三肯及 ABB 等型號 .一般常選用泵類、風機專用系列 .以三菱 FRA140E 為例 ,它除了一般品牌所具有的功能外 ,還有如下特點 :內(nèi)部采用 IPM智能功率模塊 ,使電機的噪音減至最低 。變頻器與工頻電源之間可進行切換 ,用戶只需通過 PLC 輸入啟動、停止及自動切換指令 ,就可方便地通過接觸器的互鎖動作來切換不同的水泵 ,而不需要像以往那樣自行設計繁瑣的控制程序 ,這是該變頻器所特有的功能之一 。內(nèi)置的瞬時停電再啟動與再試啟動功能 ,在無人看管的情況下 ,即使變頻器停機后也可自行啟動 ,完全實現(xiàn)了以自動化方式 的運行 . 6 本系統(tǒng)中的 PID 調(diào)節(jié)器可用變頻器內(nèi)置式值很大 ,這就會存在偏差調(diào)節(jié) .在消除偏差調(diào)節(jié)的過程中 ,必然導致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)和長時間的振蕩 ,同時還會產(chǎn)生嚴重的積分飽和現(xiàn)象 ,從而影響了設備的正常運行 .要把這種影響降至最低 ,就應在控制算法中采用積分分離的 PID控制方式 ,以達到預期效果 .經(jīng)這樣處理后 ,可大大縮短系統(tǒng)達到穩(wěn)定的過渡過程時間 .系統(tǒng)中配備兩臺 11kW水泵 (1M為主泵 ,2M為備用泵 )供 600余戶居民用水 .兩臺泵同時工作時提供最大高峰流量 ,單臺則滿足小流量和夜間供水 .另外 ,所有水泵均能以變頻方式運行 ,即可以 循環(huán)方式軟啟動 ,這樣能減小對電網(wǎng)和管網(wǎng)的沖擊 .值得注意的是 ,兩泵在變頻與工頻之間切換時 ,僅有程序互鎖是不夠的 ,輸出必須采用機械聯(lián)鎖接觸器 ,這樣可避免兩個接觸器瞬間同時閉合的情況 ,以免造成電源的瞬間短路。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路原理圖 ,壓力傳感器 P 實時監(jiān)測水壓信號的大小 ,信號經(jīng)PID 處理 ,輸入至變頻器 .小流量時 ,水泵電機 1M 運轉(zhuǎn) (1KM1 吸合 ),并通過反饋通道不斷調(diào)整其轉(zhuǎn)速 ,以保持壓力的恒定 。在大流量的情況下 ,經(jīng)壓力比較電路通過PLC 發(fā)出 “ 變頻 / 工 頻 切 換 ” 與 “ 運行聯(lián)鎖 ” 指令 , 機 械 聯(lián) 鎖 接 觸 器(2KM(2KM1+2KM2)中的 2KM接觸器 3KM 得電 .這時 ,電機 2M 以變頻方式啟動 ,1M 則切換至工頻全速運行 .這樣 ,本系統(tǒng)能始終將用水量維持在一個恒定的壓力上 .前述小區(qū)建成初期 ,供水采用工頻方式 ,因能耗大 ,可靠性差 ,住戶反映強烈 .改用變頻供水后 ,裝機總?cè)萘枯^原設備減小 25%,實際綜合節(jié)電指標接近 30%,效果顯著。 三、應用中的幾個問題 在大多數(shù)情況下 ,現(xiàn)場的使用環(huán)境較為惡劣 .變頻器雖然本身具有很強的保護功能 ,如欠壓、過壓、過流、電流限幅選擇整定、過載、過熱、缺相、短路及斷水保護功能等 ,但仍應做到防患于未然 .經(jīng)使用發(fā)現(xiàn) ,三 菱、富士兩種品牌 ,由于在設計和制造中充分考慮了各種惡劣的運行環(huán)境 .在同樣條件下的可靠性和使用壽命較某些品牌高 .湖北鄂西山區(qū)某小城市 ,平均海拔 1200m,常年大部分時間濕度偏高 (80%左右 ),二氧化硫污染嚴重 ,某廠生產(chǎn)的一套變頻供水設備 ,因未考慮上述因素 ,以至于不到一年的時間 ,設備的有關部件嚴重腐蝕 .而我們在同一地區(qū)設計、安裝的同類產(chǎn)品 ,因充分考慮了各種不同的情況 ,在設備與元件的選型上 ,采用了船用標準 .經(jīng)兩年多的使用 ,運行良好 ,經(jīng)受了各種嚴峻的考驗 .在實際使用中發(fā)現(xiàn) ,變頻器本身就是一個強大的干擾發(fā)生源 ,往往會 影響設備的正常運行 .特別是水泵低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時 ,變頻器上顯示的頻率與實際運行頻率不符 .干擾的傳播途徑一般有兩種 :線路串擾和空間輻射干擾 .根據(jù)現(xiàn)場的實際情況可采取相應的措施予以解決 .例如 ,對可編程控制器的電源端增加濾波與吸收回路 ,PID 調(diào)節(jié)器單元的輸入輸出一定要有可靠屏蔽 ,將變頻器、電機上的接地端子牢固地與接地樁子相連 ,控制線與動力線要留有一定的距離 ,以增強抗電磁干擾的能力 .只有這樣 ,才能使系統(tǒng)在高溫、潮濕、霉菌、強干擾等嚴酷的條件下保持長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)。 四、結(jié)束語 以變頻調(diào)速為核心的供水方式 ,節(jié)水、節(jié)電效果 明顯 ,可廣泛適用于 20～ 10000 戶居民生活區(qū)、高層建筑、賓館、飯店、消防或小區(qū)加壓供水 ,也是中小型自來水廠給水的理想設施 .其供水質(zhì)量高 ,經(jīng)濟效益明顯 ,社會效益巨大 ,隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高 ,它一定會在我國逐步得到應用與推廣。 五、參考文獻 張萬忠 , 王民權 . 《一種新型變頻 恒壓供水 泵站的設計方案》 .電氣時代 ,1999(10):22～ 232 7 劉迎春 .《傳感器原理設計與應用 .》北京 :國防科技大學出版社 ,～ 623 呂光大 .《建筑電氣安裝工程手冊》 .北京 :水利電力出版社 ,～ 2244 給排水自動化工程編寫組 .給排水自動化工程 .北京 :水利電力出版社 ,～312