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AI儀表在無負壓變頻供水系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢

一、無負壓變頻供水系統(tǒng)概述

      隨著現代電力控制技術的發(fā)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(yè)的生產中，變頻調速供水技術以其節(jié)能、安全、供水品質高等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。無負壓變頻供水系統(tǒng)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(jié)系統(tǒng)的運行參數，當用水量發(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)性流程工藝生產的重要保證。某大型煉化企業(yè)由于工藝生產的連續(xù)性和復雜性，裝置生產用水要求硬度低，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(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(tǒng)AI儀表選型

      在本無負壓變頻供水系統(tǒng)中儀表的作用是輸出信號調節(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型人工智能調節(jié)器，具體型號為AI-808AI4X3L2L2。

      AI智能調節(jié)器具有模糊邏輯PID調節(jié)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(jié)，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(jié)，并能在調節(jié)中自動學習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、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(jié)效果比一般的PID算法更明顯。

三、無負壓變頻供水系統(tǒng)控制原理和工作過程

      本無負壓變頻供水系統(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，并將壓力信號轉換成標準電流信號，作為反饋信號輸入AI調節(jié)器，經過內部PID調節(jié)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(zhí)行邏輯控制，保證供水壓力恒定。根據需要將該系統(tǒng)設計成三種運行狀態(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(fā)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(tǒng)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(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(xù)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(jié)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(jié)器內部PID計算調節(jié)輸出到變頻器控制水泵轉速，實現閉環(huán)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(tǒng)為主泵變頻閉環(huán)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(huán)恒壓供水控制。當變頻系統(tǒng)出現故障時，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將管道壓力轉化為標準4～20mA電信號送至調節(jié)器，作為調節(jié)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(tǒng)出現故障時，可以自動停止運行該系統(tǒng)，同時投用備用工頻泵M1。當SA1置于“自動”，SA2置于“閉環(huán)”側時，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(xù)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(huán)控制。如果M2泵在工頻，M3泵變頻同時工作一段時間后，如實際壓力超出設定壓力，M3泵持續(xù)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(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：無負壓變頻供水系統(tǒng)還可以手動調節(jié)變頻器輸出。將SA2開關置于“開環(huán)”側，變頻器只控制M２，轉速由人工調節(jié)電位器進行調節(jié)，M3泵不投入運行。如變頻系統(tǒng)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(tǒng)AI儀表的調試

      無負壓變頻供水系統(tǒng)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(jié)儀表在自整定時的調節(jié)狀態(tài)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(tǒng)中調節(jié)輸出大幅變化是不允許的。AI-808調節(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(tài)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(qū)、滯環(huán)），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(jié)/PID調節(jié)，Ctrl設置為4。M5：保持參數，主要決定調節(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人工智調節(jié)，成為PD調節(jié)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(tǒng)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(jié)的快慢。Sn：輸入反饋信號類型。OPT：輸出方式，設置為4。CF：系統(tǒng)功能選擇，可以選擇系統(tǒng)的調節(jié)方向。

五、結語

      該無負壓變頻供水系統(tǒng)安全可靠，高質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。