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AI儀表在無負壓變頻供水系統中的應用優勢

一、無負壓變頻供水系統概述

      隨著現代電力控制技術的發展，以變頻調速為代表的應用技術日趨成熟和普及。在現代企業的生產中，變頻調速供水技術以其節能、安全、供水品質高等優點，得到了廣泛的應用。無負壓變頻供水系統可以實現水泵、電動機無級調速，依據用水量的變化（實際為供水管網上的壓力變化）自動調節系統的運行參數，當用水量發生變化時仍保持水壓恒定以滿足用水要求，是目前先進、合理的節能型供水系統，是企業降低能耗、節約成本的有效途徑，也是連續性流程工藝生產的重要保證。某大型煉化企業由于工藝生產的連續性和復雜性，裝置生產用水要求硬度低，水壓穩定且不間斷，但由于受到環境的制約，水資源匱乏，水質硬度較高，不能滿足生產用水要求。因此，該廠設置軟化水裝置，對水質進行軟化處理，并設計應用變頻調速技術，由AI智能調節器、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，最終實現了恒壓供水、生產順暢、降低能耗的目的。

二、無負壓變頻供水系統AI儀表選型

      在本無負壓變頻供水系統中儀表的作用是輸出信號調節變頻器頻率的大小，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型人工智能調節器，具體型號為AI-808AI4X3L2L2。

      AI智能調節器具有模糊邏輯PID調節及參數自整定功能的先進控制算法。在誤差大時，運用模糊法進行調節，以消除PID飽和積分現象；當誤差減小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果最優化。其具有無超調、高精度、參數確定簡單，對復雜對象也能獲得較好控制效果等特點，其整體調節效果比一般的PID算法更明顯。

三、無負壓變頻供水系統控制原理和工作過程

      本無負壓變頻供水系統采用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，并將壓力信號轉換成標準電流信號，作為反饋信號輸入AI調節器，經過內部PID調節處理后產生輸出信號到變頻器控制泵轉速，由智能繼電器執行邏輯控制，保證供水壓力恒定。根據需要將該系統設計成三種運行狀態：手動開停工頻運行、變頻自動恒壓閉環運行、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用。基本功能塊有與門、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、時鐘脈沖發生器、加減計數器等。因此，它既可以作為PLC，又可以作為智能繼電器以實現復雜的邏輯繼電控制。

      Simovert MasterDriver VC 變頻器是西門子新一代矢量控制變頻器，采用全數字技術控制，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提供標準功能，如手動/自動設定，自動重起動功能等。通過操作面板對系統不同級別的參數進行設置實現豐富的功能。變頻器面板還有手動電位器旋鈕，直接控制變頻器的輸出。該變頻器被廣泛應用于現場自動控制，使傳動系統的工作效率和可靠性得以提高。

（2）控制原理：一般情況下水泵轉速按工頻運行時速設計，運行時供水量基本固定不變。根據水泵消耗功率與轉速的關系式N=Kn3（其中N為水泵消耗功率，n為水泵運行時的轉速，K為比例系數），采用恒轉矩調速方式，連續改變電機的驅動電流頻率，可以平滑改變其轉速，從而達到改變水泵消耗功率的目的。實際生產中軟化水需求量隨裝置生產變化時，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節器作為壓力反饋信號，與工藝設定壓力信號進行比較后，經調節器內部PID計算調節輸出到變頻器控制水泵轉速，實現閉環控制管網壓力恒定。

（3）工作過程

      正常情況下，無負壓變頻供水系統為主泵變頻閉環工作。當供水壓力低于工藝設定值，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定值，輔助泵變頻工作，主泵停止運行，以此達到閉環恒壓供水控制。當變頻系統出現故障時，可以自動停止運行該系統，同時投用備用工頻泵。其控制系統圖為：

      圖中L為交流電抗器，P為壓力變送器，AI為調節器。系統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，兩種運行方式由切換開關SA1及LOGO！230RL控制。變頻運行方式的兩種工作狀態：

      變頻自動恒壓閉環控制：將切換開關SA2置于“閉環”位置，系統控制變頻器循環啟停M2泵、M3泵，壓力變送器P將管道壓力轉化為標準4～20mA電信號送至調節器，作為調節器壓力反饋信號與儀表的壓力設定值進行比較后，經儀表PID運算輸出控制信號，控制水泵轉速。當變頻系統出現故障時，可以自動停止運行該系統，同時投用備用工頻泵M1。當SA1置于“自動”，SA2置于“閉環”側時，系統處于變頻自動恒壓閉環控制運行。LOGO！230RL輸出端Q1輸出接通，中間繼電器KM4吸合，經延時后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控制，系統在設定壓力下工作。當單泵供水壓力不能滿足壓力要求，即壓力反饋信號持續低于設定值一段時間（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，如實際壓力超出設定壓力，M3泵持續降低轉速至控制下限仍無法達到設定值。則LOGO！230RL控制自動斷開M2泵工頻工作，由M3泵持續變頻工作。順序起停M2泵和M3泵在工頻和變頻運行狀態，從而閉環控制輸水壓力，保持供水恒壓。 

      變頻手動運行：無負壓變頻供水系統還可以手動調節變頻器輸出。將SA2開關置于“開環”側，變頻器只控制M２，轉速由人工調節電位器進行調節，M3泵不投入運行。如變頻系統出現故障后，LOGO！230RL自動投運備用泵M1。

四、無負壓變頻供水系統AI儀表的調試

      無負壓變頻供水系統AI儀表的控制效果直接影響整個系統的正常運行。在沒有經驗控制參數的時候，為了達到最佳的控制效果，儀表要進行PID自整定，但一般的調節儀表在自整定時的調節狀態是位式控制，輸出量要么最大要么最小，在本無負壓變頻供水系統中調節輸出大幅變化是不允許的。AI-808調節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，通過儀表的△ ▽鍵調整輸出量，使測量值盡量和設定值保持一致，然后在這個狀態下啟動自整定，這樣儀表的輸出值將限制在當前手動輸出值的±10%范圍內，從而避免出現輸出值的大幅變化。在多數情況下，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M5、P、T參數來修正。主要參數設置：HIAL：上限報警。LOAL：下限報警。Df：回差（死區、滯環），用于避免因測量輸入值波動而產生報警頻繁動作。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能調節/PID調節，Ctrl設置為4。M5：保持參數，主要決定調節算法中的積分作用，和PID積分時間類似，M5越小，系統積分作用越強。M5=0時取消積分和AI人工智調節，成為PD調節器，經驗參數為4。P：速率參數，與每秒內儀表輸出變化100%時測量值時應變化大小成正比，P=1000/每秒測量值的升高單位值（系統以0.1定義為一個單位），經驗參數為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驗參數為1。Ctl：輸出周期，反映儀表運算調節的快慢。Sn：輸入反饋信號類型。OPT：輸出方式，設置為4。CF：系統功能選擇，可以選擇系統的調節方向。

五、結語

      該無負壓變頻供水系統安全可靠，高質量地保障了軟化水的平穩供給，同時大大減少了用電量，達到了預期的目的。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象，直接的經濟效益可觀。