一、概述
隨著現(xiàn)代電力控制技術(shù)的發(fā)展,以變頻調(diào)速為代表的應(yīng)用技術(shù)日趨成熟和普及。在現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)中,變頻調(diào)速供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水品質(zhì)高等優(yōu)點,得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵、電動機無級調(diào)速,依據(jù)用水量的變化(實際為供水管網(wǎng)上的壓力變化)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù),當(dāng)用水量發(fā)生變化時仍保持水壓恒定以滿足用水要求,是目前先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng),是企業(yè)降低能耗、節(jié)約成本的有效途徑,也是連續(xù)性流程工藝生產(chǎn)的重要保證。某大型煉化企業(yè)由于工藝生產(chǎn)的連續(xù)性和復(fù)雜性,裝置生產(chǎn)用水要求硬度低,水壓穩(wěn)定且不間斷,但由于受到環(huán)境的制約,水資源匱乏,水質(zhì)硬度較高,不能滿足生產(chǎn)用水要求。因此,該廠設(shè)置軟化水裝置,對水質(zhì)進行軟化處理,并設(shè)計應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù),由AI智能調(diào)節(jié)器、智能繼電器、變頻器、多臺供水泵交替工頻/變頻自動切換運行,最終實現(xiàn)了恒壓供水、生產(chǎn)順暢、降低能耗的目的。
二、AI儀表選型
在本系統(tǒng)中儀表的作用是輸出信號調(diào)節(jié)變頻器頻率的大小,因為壓力是快速變化的物理量,對儀表的整體性能有很高的要求,所以選用宇電AI-808型人工智能調(diào)節(jié)器,具體型號為AI-808AI4X3L2L2。
AI智能調(diào)節(jié)器具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進控制算法。在誤差大時,運用模糊法進行調(diào)節(jié),以消除PID飽和積分現(xiàn)象;當(dāng)誤差減小時,采用改進后的PID算法進行調(diào)節(jié),并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果最優(yōu)化。其具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單,對復(fù)雜對象也能獲得較好控制效果等特點,其整體調(diào)節(jié)效果比一般的PID算法更明顯。
三、系統(tǒng)控制原理和工作過程
本系統(tǒng)采用1控3方式,即1臺變頻器控制3臺水泵。工作時,管道上的壓力由傳感器測量,并將壓力信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號,作為反饋信號輸入AI調(diào)節(jié)器,經(jīng)過內(nèi)部PID調(diào)節(jié)處理后產(chǎn)生輸出信號到變頻器控制泵轉(zhuǎn)速,由智能繼電器執(zhí)行邏輯控制,保證供水壓力恒定。根據(jù)需要將該系統(tǒng)設(shè)計成三種運行狀態(tài):手動開停工頻運行、變頻自動恒壓閉環(huán)運行、手動變頻運行。
(1)其他硬件介紹: LOGO!230RL為西門子通用邏輯控制模塊。它具有體積小、編程簡單、功能強大的特點。230RL可提供12點開關(guān)量輸入,8點繼電器輸出的端子接口。每個繼電器輸出端口的最大電流可達8A。LOGO!230RL模塊具有很強的邏輯控制和運算功能,這些功能以功能塊的方式應(yīng)用?;竟δ軌K有與門、或門、非門、與非、或非及異或門。同時還提供特殊功能塊,如接通延時、斷開延時、脈沖繼電器、時鐘脈沖發(fā)生器、加減計數(shù)器等。因此,它既可以作為PLC,又可以作為智能繼電器以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯繼電控制。
Simovert MasterDriver VC 變頻器是西門子新一代矢量控制變頻器,采用全數(shù)字技術(shù)控制,交流傳動采用IGBT電壓源變頻裝置,具有很高的變頻范圍。Simovert MasterDriver VC提供標(biāo)準(zhǔn)功能,如手動/自動設(shè)定,自動重起動功能等。通過操作面板對系統(tǒng)不同級別的參數(shù)進行設(shè)置實現(xiàn)豐富的功能。變頻器面板還有手動電位器旋鈕,直接控制變頻器的輸出。該變頻器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場自動控制,使傳動系統(tǒng)的工作效率和可靠性得以提高。
(2) 控制原理:一般情況下水泵轉(zhuǎn)速按工頻運行時速設(shè)計,運行時供水量基本固定不變。根據(jù)水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式N=Kn3(其中N為水泵消耗功率,n為水泵運行時的轉(zhuǎn)速,K為比例系數(shù)),采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式,連續(xù)改變電機的驅(qū)動電流頻率,可以平滑改變其轉(zhuǎn)速,從而達到改變水泵消耗功率的目的。實際生產(chǎn)中軟化水需求量隨裝置生產(chǎn)變化時,其管道上的水壓也隨之改變,可通過壓力傳感器測出實時變化量送入調(diào)節(jié)器作為壓力反饋信號,與工藝設(shè)定壓力信號進行比較后,經(jīng)調(diào)節(jié)器內(nèi)部PID計算調(diào)節(jié)輸出到變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)閉環(huán)控制管網(wǎng)壓力恒定。
(3)工作過程
正常情況下,系統(tǒng)為主泵變頻閉環(huán)工作。當(dāng)供水壓力低于工藝設(shè)定值,且單臺泵無法滿足工作需要時,由LOGO!230RL自動起動輔助泵工頻運行,主泵仍變頻運行;若供水壓力高于工藝設(shè)定值,輔助泵變頻工作,主泵停止運行,以此達到閉環(huán)恒壓供水控制。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,可以自動停止運行該系統(tǒng),同時投用備用工頻泵。其控制系統(tǒng)圖為:
圖中L為交流電抗器,P為壓力變送器,AI為調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)運行方式包括工頻手動運行和變頻運行兩種,其中工頻手動運行適用于變頻器檢修期,而變頻運行適用于正常工作狀態(tài),兩種運行方式由切換開關(guān)SA1及LOGO!230RL控制。變頻運行方式的兩種工作狀態(tài):
變頻自動恒壓閉環(huán)控制:將切換開關(guān)SA2置于“閉環(huán)”位置,系統(tǒng)控制變頻器循環(huán)啟停M2泵、M3泵,壓力變送器P將管道壓力轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4~20mA電信號送至調(diào)節(jié)器,作為調(diào)節(jié)器壓力反饋信號與儀表的壓力設(shè)定值進行比較后,經(jīng)儀表PID運算輸出控制信號,控制水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,可以自動停止運行該系統(tǒng),同時投用備用工頻泵M1。當(dāng)SA1置于“自動”,SA2置于“閉環(huán)”側(cè)時,系統(tǒng)處于變頻自動恒壓閉環(huán)控制運行。LOGO!230RL輸出端Q1輸出接通,中間繼電器KM4吸合,經(jīng)延時后LOGO!230RL 的Q8輸出接通,變頻器投入運行。此時M2泵在變頻器控制下維持恒壓閉環(huán)控制,系統(tǒng)在設(shè)定壓力下工作。當(dāng)單泵供水壓力不能滿足壓力要求,即壓力反饋信號持續(xù)低于設(shè)定值一段時間(由AI儀表下限報警給出信號,LOGO!230RL計時),LOGO!230RL自動將M3泵接通變頻器,此M3泵在儀表控制下進行閉環(huán)控制。如果M2泵在工頻,M3泵變頻同時工作一段時間后,如實際壓力超出設(shè)定壓力,M3泵持續(xù)降低轉(zhuǎn)速至控制下限仍無法達到設(shè)定值。則LOGO!230RL控制自動斷開M2泵工頻工作,由M3泵持續(xù)變頻工作。順序起停M2泵和M3泵在工頻和變頻運行狀態(tài),從而閉環(huán)控制輸水壓力,保持供水恒壓。
變頻手動運行:系統(tǒng)還可以手動調(diào)節(jié)變頻器輸出。將SA2開關(guān)置于“開環(huán)”側(cè),變頻器只控制M2,轉(zhuǎn)速由人工調(diào)節(jié)電位器進行調(diào)節(jié),M3泵不投入運行。如變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障后,LOGO!230RL自動投運備用泵M1。
四、AI儀表的調(diào)試
AI儀表的控制效果直接影響整個系統(tǒng)的正常運行。在沒有經(jīng)驗控制參數(shù)的時候,為了達到最佳的控制效果,儀表要進行PID自整定,但一般的調(diào)節(jié)儀表在自整定時的調(diào)節(jié)狀態(tài)是位式控制,輸出量要么最大要么最小,在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)輸出大幅變化是不允許的。AI-808調(diào)節(jié)器具有手動自整定模式可以很好的解決這個問題,具體操作是:把儀表切換到手動輸出狀態(tài),通過儀表的△ ▽鍵調(diào)整輸出量,使測量值盡量和設(shè)定值保持一致,然后在這個狀態(tài)下啟動自整定,這樣儀表的輸出值將限制在當(dāng)前手動輸出值的±10%范圍內(nèi),從而避免出現(xiàn)輸出值的大幅變化。在多數(shù)情況下,自整定一次就可以使獲得滿意的控制效果。如果控制有偏差時,可以通過微調(diào)M5、P、T參數(shù)來修正。主要參數(shù)設(shè)置:HIAL:上限報警。LOAL:下限報警。Df:回差(死區(qū)、滯環(huán)),用于避免因測量輸入值波動而產(chǎn)生報警頻繁動作。Ctrl:控制方式,采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié),Ctrl設(shè)置為4。M5:保持參數(shù),主要決定調(diào)節(jié)算法中的積分作用,和PID積分時間類似,M5越小,系統(tǒng)積分作用越強。M5=0時取消積分和AI人工智調(diào)節(jié),成為PD調(diào)節(jié)器,經(jīng)驗參數(shù)為4。P:速率參數(shù),與每秒內(nèi)儀表輸出變化100%時測量值時應(yīng)變化大小成正比,P=1000/每秒測量值的升高單位值(系統(tǒng)以0.1定義為一個單位),經(jīng)驗參數(shù)為5。T:滯后時間,t越小,則比例和積分作用均成正比增強,而微分作用相對減弱,但整體反饋作用增強:反之,t越大,則比例和積分作用均減弱,而微分作用相對增強經(jīng)驗參數(shù)為1。Ctl:輸出周期,反映儀表運算調(diào)節(jié)的快慢。Sn:輸入反饋信號類型。OPT:輸出方式,設(shè)置為4。CF:系統(tǒng)功能選擇,可以選擇系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方向。
五、結(jié)語
該系統(tǒng)安全可靠,高質(zhì)量地保障了軟化水的平穩(wěn)供給,同時大大減少了用電量,達到了預(yù)期的目的。正常時只需兩臺泵交替變頻運行,從而改變了以前三臺供水泵同時運行的現(xiàn)象,直接的經(jīng)濟效益可觀。