【導(dǎo)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(jiǎn)要分析國內(nèi)外給水系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)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(dòng)給水系統(tǒng)控制方式 ,并以實(shí)例詳細(xì)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(shí)際使用經(jīng)驗(yàn) ,簡(jiǎn)要闡述了該系統(tǒng)在應(yīng)用中應(yīng)注意的一些問題。 關(guān)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(jìn)入 90 年代中后期 ,隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展與完善 ,基于該項(xiàng)技術(shù)的全自動(dòng)恒壓給水方式已在發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)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(shè)計(jì)與施工方面做了些實(shí)際工作 ,積累了一些經(jīng)驗(yàn) ,并形成了對(duì)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(gè)很重要的原因就是它有較好的節(jié)能效果 . 一臺(tái)水泵的實(shí)際揚(yáng)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(jī)的供電頻率 ,就可控制水泵的供水壓力 .恒壓供水自動(dòng)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(cè)得的實(shí)際壓力值 ,PID 調(diào)節(jié)器通過對(duì)兩者的誤差運(yùn)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(shè)定值上。 該系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)用戶的瞬時(shí)水壓 ,據(jù)此調(diào)節(jié)給水量的多少及電機(jī)的運(yùn)行狀況 .還可根據(jù)所需的給水壓力設(shè)定控制壓力值 ,讓設(shè)備始終處于恒壓狀態(tài) ,從負(fù)載電機(jī)的特性可知 ,所配電機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比 ,即 .例如 ,當(dāng)變頻器輸出頻率為 35Hz(最高設(shè)定為 50Hz),也就是實(shí)際轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的 70%時(shí) ,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(shí)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(dá)到恒壓的目的 ,它最終控制的目標(biāo)是水壓 .控制對(duì)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(dāng)系統(tǒng)在啟動(dòng)與停止階段 ,或壓力設(shè)定值大幅度變化時(shí) ,由于在短時(shí)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(xiàng)將取蓄水池、水泵組 (1M,2M)及相關(guān)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(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ,并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)提供給變頻器進(jìn)行運(yùn)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(dòng)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(hào) .一般常選用泵類、風(fēng)機(jī)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(diǎn) :內(nèi)部采用 IPM智能功率模塊 ,使電機(jī)的噪音減至最低 。變頻器與工頻電源之間可進(jìn)行切換 ,用戶只需通過 PLC 輸入啟動(dòng)、停止及自動(dòng)切換指令 ,就可方便地通過接觸器的互鎖動(dòng)作來切換不同的水泵 ,而不需要像以往那樣自行設(shè)計(jì)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(shí)停電再啟動(dòng)與再試啟動(dòng)功能 ,在無人看管的情況下 ,即使變頻器停機(jī)后也可自行啟動(dòng) ,完全實(shí)現(xiàn)了以自動(dòng)化方式 的運(yùn)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(huì)存在偏差調(diào)節(jié) .在消除偏差調(diào)節(jié)的過程中 ,必然導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩 ,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象 ,從而影響了設(shè)備的正常運(yùn)行 .要把這種影響降至最低 ,就應(yīng)在控制算法中采用積分分離的 PID控制方式 ,以達(dá)到預(yù)期效果 .經(jīng)這樣處理后 ,可大大縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的過渡過程時(shí)間 .系統(tǒng)中配備兩臺(tái) 11kW水泵 (1M為主泵 ,2M為備用泵 )供 600余戶居民用水 .兩臺(tái)泵同時(shí)工作時(shí)提供最大高峰流量 ,單臺(tái)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(yùn)行 ,即可以 循環(huán)方式軟啟動(dòng) ,這樣能減小對(duì)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(shí) ,僅有程序互鎖是不夠的 ,輸出必須采用機(jī)械聯(lián)鎖接觸器 ,這樣可避免兩個(gè)接觸器瞬間同時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓信號(hào)的大小 ,信號(hào)經(jīng)PID 處理 ,輸入至變頻器 .小流量時(shí) ,水泵電機(jī) 1M 運(yùn)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(yùn)行聯(lián)鎖 ” 指令 , 機(jī) 械 聯(lián) 鎖 接 觸 器(2KM(2KM1+2KM2)中的 2KM接觸器 3KM 得電 .這時(shí) ,電機(jī) 2M 以變頻方式啟動(dòng) ,1M 則切換至工頻全速運(yùn)行 .這樣 ,本系統(tǒng)能始終將用水量維持在一個(gè)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(qiáng)烈 .改用變頻供水后 ,裝機(jī)總?cè)萘枯^原設(shè)備減小 25%,實(shí)際綜合節(jié)電指標(biāo)接近 30%,效果顯著。 三、應(yīng)用中的幾個(gè)問題 在大多數(shù)情況下 ,現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境較為惡劣 .變頻器雖然本身具有很強(qiáng)的保護(hù)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(hù)功能等 ,但仍應(yīng)做到防患于未然 .經(jīng)使用發(fā)現(xiàn) ,三 菱、富士?jī)煞N品牌 ,由于在設(shè)計(jì)和制造中充分考慮了各種惡劣的運(yùn)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(shí)間濕度偏高 (80%左右 ),二氧化硫污染嚴(yán)重 ,某廠生產(chǎn)的一套變頻供水設(shè)備 ,因未考慮上述因素 ,以至于不到一年的時(shí)間 ,設(shè)備的有關(guān)部件嚴(yán)重腐蝕 .而我們?cè)谕坏貐^(qū)設(shè)計(jì)、安裝的同類產(chǎn)品 ,因充分考慮了各種不同的情況 ,在設(shè)備與元件的選型上 ,采用了船用標(biāo)準(zhǔn) .經(jīng)兩年多的使用 ,運(yùn)行良好 ,經(jīng)受了各種嚴(yán)峻的考驗(yàn) .在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn) ,變頻器本身就是一個(gè)強(qiáng)大的干擾發(fā)生源 ,往往會(huì) 影響設(shè)備的正常運(yùn)行 .特別是水泵低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) ,變頻器上顯示的頻率與實(shí)際運(yùn)行頻率不符 .干擾的傳播途徑一般有兩種 :線路串?dāng)_和空間輻射干擾 .根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況可采取相應(yīng)的措施予以解決 .例如 ,對(duì)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(jī)上的接地端子牢固地與接地樁子相連 ,控制線與動(dòng)力線要留有一定的距離 ,以增強(qiáng)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(qiáng)干擾等嚴(yán)酷的條件下保持長(zhǎng)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(shè)施 .其供水質(zhì)量高 ,經(jīng)濟(jì)效益明顯 ,社會(huì)效益巨大 ,隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高 ,它一定會(huì)在我國逐步得到應(yīng)用與推廣。 五、參考文獻(xiàn) 張萬忠 , 王民權(quán) . 《一種新型變頻 恒壓供水 泵站的設(shè)計(jì)方案》 .電氣時(shí)代 ,1999(10):22～ 232 7 劉迎春 .《傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用 .》北京 :國防科技大學(xué)出版社 ,～ 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