AI仪表在无负压变频供水系统中的应用优势

一、无负压变频供水系统概述

      随着现代电力控制技术的发展，以变频调速为代表的应用技术日趋成熟和普及。在现代企业的生产中，变频调速供水技术以其节能、安全、供水品质高等优点，得到了广泛的应用。无负压变频供水系统可以实现水泵、电动机无级调速，依据用水量的变化（实际为供水管网上的压力变化）自动调节系统的运行参数，当用水量发生变化时仍保持水压恒定以满足用水要求，是目前先进、合理的节能型供水系统，是企业降低能耗、节约成本的有效途径，也是连续性流程工艺生产的重要保证。某大型炼化企业由于工艺生产的连续性和复杂性，装置生产用水要求硬度低，水压稳定且不间断，但由于受到环境的制约，水资源匮乏，水质硬度较高，不能满足生产用水要求。因此，该厂设置软化水装置，对水质进行软化处理，并设计应用变频调速技术，由AI智能调节器、智能继电器、变频器、多台供水泵交替工频/变频自动切换运行，最终实现了恒压供水、生产顺畅、降低能耗的目的。

二、无负压变频供水系统AI仪表选型

      在本无负压变频供水系统中仪表的作用是输出信号调节变频器频率的大小，因为压力是快速变化的物理量，对仪表的整体性能有很高的要求，所以选用宇电AI-808型人工智能调节器，具体型号为AI-808AI4X3L2L2。

      AI智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时，运用模糊法进行调节，以消除PID饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点，其整体调节效果比一般的PID算法更明显。

三、无负压变频供水系统控制原理和工作过程

      本无负压变频供水系统采用1控3方式，即1台变频器控制3台水泵。工作时，管道上的压力由传感器测量，并将压力信号转换成标准电流信号，作为反馈信号输入AI调节器，经过内部PID调节处理后产生输出信号到变频器控制泵转速，由智能继电器执行逻辑控制，保证供水压力恒定。根据需要将该系统设计成三种运行状态：手动开停工频运行、变频自动恒压闭环运行、手动变频运行。

（1）其他硬件介绍： LOGO！230RL为西门子通用逻辑控制模块。它具有体积小、编程简单、功能强大的特点。230RL可提供12点开关量输入，8点继电器输出的端子接口。每个继电器输出端口的最大电流可达8A。LOGO！230RL模块具有很强的逻辑控制和运算功能，这些功能以功能块的方式应用。基本功能块有与门、或门、非门、与非、或非及异或门。同时还提供特殊功能块，如接通延时、断开延时、脉冲继电器、时钟脉冲发生器、加减计数器等。因此，它既可以作为PLC，又可以作为智能继电器以实现复杂的逻辑继电控制。

      Simovert MasterDriver VC 变频器是西门子新一代矢量控制变频器，采用全数字技术控制，交流传动采用IGBT电压源变频装置，具有很高的变频范围。           Simovert MasterDriver VC提供标准功能，如手动/自动设定，自动重起动功能等。通过操作面板对系统不同级别的参数进行设置实现丰富的功能。变频器面板还有手动电位器旋钮，直接控制变频器的输出。该变频器被广泛应用于现场自动控制，使传动系统的工作效率和可靠性得以提高。

（2）控制原理：一般情况下水泵转速按工频运行时速设计，运行时供水量基本固定不变。根据水泵消耗功率与转速的关系式N=Kn3（其中N为水泵消耗功率，n为水泵运行时的转速，K为比例系数），采用恒转矩调速方式，连续改变电机的驱动电流频率，可以平滑改变其转速，从而达到改变水泵消耗功率的目的。实际生产中软化水需求量随装置生产变化时，其管道上的水压也随之改变，可通过压力传感器测出实时变化量送入调节器作为压力反馈信号，与工艺设定压力信号进行比较后，经调节器内部PID计算调节输出到变频器控制水泵转速，实现闭环控制管网压力恒定。

（3）工作过程

      正常情况下，无负压变频供水系统为主泵变频闭环工作。当供水压力低于工艺设定值，且单台泵无法满足工作需要时，由LOGO！230RL自动起动辅助泵工频运行，主泵仍变频运行；若供水压力高于工艺设定值，辅助泵变频工作，主泵停止运行，以此达到闭环恒压供水控制。当变频系统出现故障时，可以自动停止运行该系统，同时投用备用工频泵。其控制系统图为：

      图中L为交流电抗器，P为压力变送器，AI为调节器。系统运行方式包括工频手动运行和变频运行两种，其中工频手动运行适用于变频器检修期，而变频运行适用于正常工作状态，两种运行方式由切换开关SA1及LOGO！230RL控制。变频运行方式的两种工作状态：

      变频自动恒压闭环控制：将切换开关SA2置于“闭环”位置，系统控制变频器循环启停M2泵、M3泵，压力变送器P将管道压力转化为标准4～20mA电信号送至调节器，作为调节器压力反馈信号与仪表的压力设定值进行比较后，经仪表PID运算输出控制信号，控制水泵转速。当变频系统出现故障时，可以自动停止运行该系统，同时投用备用工频泵M1。当SA1置于“自动”，SA2置于“闭环”侧时，系统处于变频自动恒压闭环控制运行。LOGO！230RL输出端Q1输出接通，中间继电器KM4吸合，经延时后LOGO！230RL 的Q8输出接通，变频器投入运行。此时M2泵在变频器控制下维持恒压闭环控制，系统在设定压力下工作。当单泵供水压力不能满足压力要求，即压力反馈信号持续低于设定值一段时间（由AI仪表下限报警给出信号，LOGO！230RL计时），LOGO！230RL自动将M3泵接通变频器，此M3泵在仪表控制下进行闭环控制。如果M2泵在工频，M3泵变频同时工作一段时间后，如实际压力超出设定压力，M3泵持续降低转速至控制下限仍无法达到设定值。则LOGO！230RL控制自动断开M2泵工频工作，由M3泵持续变频工作。顺序起停M2泵和M3泵在工频和变频运行状态，从而闭环控制输水压力，保持供水恒压。 

      变频手动运行：无负压变频供水系统还可以手动调节变频器输出。将SA2开关置于“开环”侧，变频器只控制M２，转速由人工调节电位器进行调节，M3泵不投入运行。如变频系统出现故障后，LOGO！230RL自动投运备用泵M1。

四、无负压变频供水系统AI仪表的调试

      无负压变频供水系统AI仪表的控制效果直接影响整个系统的正常运行。在没有经验控制参数的时候，为了达到最佳的控制效果，仪表要进行PID自整定，但一般的调节仪表在自整定时的调节状态是位式控制，输出量要么最大要么最小，在本无负压变频供水系统中调节输出大幅变化是不允许的。AI-808调节器具有手动自整定模式可以很好的解决这个问题，具体操作是：把仪表切换到手动输出状态，通过仪表的△ ▽键调整输出量，使测量值尽量和设定值保持一致，然后在这个状态下启动自整定，这样仪表的输出值将限制在当前手动输出值的±10%范围内，从而避免出现输出值的大幅变化。在多数情况下，自整定一次就可以使获得满意的控制效果。如果控制有偏差时，可以通过微调M5、P、T参数来修正。主要参数设置：HIAL：上限报警。LOAL：下限报警。Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生报警频繁动作。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl设置为4。M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节，成为PD调节器，经验参数为4。P：速率参数，与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位），经验参数为5。T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强经验参数为1。Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢。Sn：输入反馈信号类型。OPT：输出方式，设置为4。CF：系统功能选择，可以选择系统的调节方向。

五、结语

      该无负压变频供水系统安全可靠，高质量地保障了软化水的平稳供给，同时大大减少了用电量，达到了预期的目的。正常时只需两台泵交替变频运行，从而改变了以前三台供水泵同时运行的现象，直接的经济效益可观。