台达变频器在水厂恒压供水中的应用

摘 要：本文主要讲述基于变频器PID控制下恒压供水系统水厂自动化控制实例中的应用。本案例，我们充分利用变频器的节能调压能力，以变频器内置PID控制算法为核心，以现代先进PLC网络技术为平台，实现水厂恒压供水智能远程监控，为水厂泵站的稳定、节能、安全运行奠定基础。

1 引言

水质和水压是现代供水企业赖以生存和发展的基本服务因素，在水质稳定的前提下，水压的服务质量和能耗是相互制约的两个对立因素，更高的服务水压意味更高的能耗，如何低能耗及满足承诺服务水压中找到一个平衡是现代供水企业密切关注及研究的一个课题。变频技术的发展使憋阀门调压成为历史，而PID技术的发展实现恒压供水向安全、节能及高品质的方向实现了飞跃。PID恒压供水系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持供水管道压力恒定，它比传统的憋阀门供水有较大的优越性，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

2 PID恒压供水系统介绍

在现代工业控制中，利用PLC实现对模拟量的PID闭环控制或者利用专用设备内部PID控制(如变频器内部PID闭环控制)对监测量的闭环控制是较为常用的PID控制方法。本文主要结合珠海市西部某水厂实际应用为基础陈述了基于变频器PID控制在水厂恒压供水系统中应用。

2.1 PID恒压供水系统硬件设计

本文中的自动恒压供水控制系统的核心硬件是由PLC网络(s7-300及S7-200由Profibus-DP构成PLC网络)、人机界面(WINCC)、两台台达VFD-F变频器分别一对一拖动两台水泵电机(KQSN-500M9/621)、压力变送器、水池液位计等组成。人机界面接受操作人员输入操作指令(如恒水压指令等)和监控执行机构的运行情况;PLC为控制机构，进行数据传输及控制指令的发布;变频器执行PID控制拖动水泵机组;压力变送器监控管道压力并向控制系统传输压力信号(4-20mA电流)。水厂PID自动恒压供水系统核心硬件构成图如图1所示。

图1 水厂PID自动恒压供水系统核心硬件构成图

2.2变频器PID控制原理

PI控制是由比例控制(P)和积分控制(I)组合成，根据偏差及时间变化产生一个执行量;PD控制是由比例控制(P)和微分控制(D)组合成，根据改变动态特性的偏差速率产生一个执行量;PID控制是利用PI控制盒PD控制的有点组合成的控制，其核心运算是P、I、D三个运算的综合。

PID控制是闭环控制系统的比例-积分-微分控制算法，PID控制器根据设定值与被控制对象的实际值的差值，按照PID控制法的算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控制对象的变化，其控制过程如图2所示。

图2 PID控制原理框图

同时该变频器内置了复杂的顺序控制功能实现工频电源和变频器之间的柔性切换(进行切换时实现电磁接触器的互锁)，当变频器运行频率达到上限及持续运行时间满足后(这里分别设置为50Hz和60s)，变频器自行将变频无极切换到工频(不需重新启动)，实现了变频到工频的无极切换，大大减少了工频启动时对电网电流及管网水压冲击，大大加强了系统的稳定性及安全性。电磁接触器MC2在工频运行时闭合，变频运行时断开;MC3变频运行时闭合，工频运行时断开。控制电路如图3所示。

图3 VFD-F变频器PID控制接线图

变频器的极限输出频率的检测输出信号、工频运行信号及变频运行信号等均接入PLC，作为增减机信号及执行PID控制的变频器控制信号。

3 恒压供水系统软件设计

3.1PLC控制设计

恒压供水控制系统为水厂自动化系统中的一个子程序，其控制过程为：操作人员通过在远程控制室人机界面(WINCC)中输入泵房机组运行水压，系统通过工业以太网Industrial Ethernet将参数传递到 PLC主站S7-300，主站再通过现场控制主线Profibus-DP传送控制指令到泵房控制子站S7-200，泵站控制子站根据水压指令判断是否需要调整水压，如果需要，通过程序将水压要求传递给台达VFD变频器调整频率;默认2#机组为PID控制首选，当2#机组由变频器PID控制进入工频运行后且持续时间足够长后，S7-200启动水泵机组增减机程序实现增减机操作3#机组，并实行PID控制，达到恒压供水的目的。增机操作为先启动2#机组，2#工频运行后，启动3#机组并调频;在减机操作中先停工频运行机组，再对变频机组机组调频;机组工频变频运行模式由变频器内部进行互锁，两台机组变频运行模式由PLC进行互锁，防止机组误操作;1#为备用机组，通过转换开关可以实现任一台变频器对其拖动。机组操作必须满足必要的时间间隔。