一、引言
水資源不管是在日常生活還是在工業(yè)生產(chǎn)中都是必不可少的，而且很多時候水源的水質(zhì)與水壓是現(xiàn)代供水企業(yè)賴以生存和發(fā)展的基本運行要素，而在以水質(zhì)穩(wěn)定為前提下，水壓的服務(wù)質(zhì)量與能耗是兩個明顯對立相制約的要素，這是因為更高的服務(wù)水壓往往意味更高的能耗，如何低能耗及滿足承諾服務(wù)水壓中找到一個平衡是現(xiàn)代供水企業(yè)密切關(guān)注及研究的一個課題。變頻技術(shù)的發(fā)展使憋閥門調(diào)壓成為歷史，而PID技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)恒壓供水向安全、節(jié)能及高品質(zhì)的方向?qū)崿F(xiàn)了飛躍。PID恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持供水管道壓力恒定，它比傳統(tǒng)的憋閥門供水有較大的優(yōu)越性，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。
二、PID恒壓供水系統(tǒng)介紹
在現(xiàn)代工業(yè)控制中，利用PLC實現(xiàn)對模擬量的PID閉環(huán)控制或者利用專用設(shè)備內(nèi)部PID控制（如變頻器內(nèi)部PID閉環(huán)控制）對監(jiān)測量的閉環(huán)控制是較為常用的PID控制方法。本文主要結(jié)合珠海市西部某水廠實際應(yīng)用為基礎(chǔ)陳述了基于變頻器PID控制在水廠恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)用。
（1）PID恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文中的自動恒壓供水控制系統(tǒng)的核心硬件是由PLC網(wǎng)絡(luò)、人機界面、兩臺三科SKI600系列水泵變頻器分別一對一拖動兩臺水泵電機（KQSN-500M9/621）、壓力變送器、水池液位計等組成。人機界面接受操作人員輸入操作指令（如恒水壓指令等）和監(jiān)控執(zhí)行機構(gòu)的運行情況；PLC為控制機構(gòu)，進行數(shù)據(jù)傳輸及控制指令的發(fā)布；執(zhí)行PID控制拖動水泵機組；壓力變送器監(jiān)控管道壓力并向控制系統(tǒng)傳輸壓力信號（4-20mA電流）。水廠PID自動恒壓供水系統(tǒng)核心硬件構(gòu)成圖如圖1所示。
圖1 水廠PID自動恒壓供水系統(tǒng)核心硬件構(gòu)成圖
（2）變頻器PID控制原理
PI控制是由比例控制(Ｐ)和積分控制（I）組合成，根據(jù)偏差及時間變化產(chǎn)生一個執(zhí)行量；PD控制是由比例控制(Ｐ)和微分控制（D）組合成，根據(jù)改變動態(tài)特性的偏差速率產(chǎn)生一個執(zhí)行量；PID控制是利用PI控制盒PD控制的有點組合成的控制，其核心運算是P、I、D三個運算的綜合。
PID控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例-積分-微分控制算法，PID控制器根據(jù)設(shè)定值與被控制對象的實際值的差值，按照PID控制法的算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構(gòu)去影響被控制對象的變化，其控制過程如圖2所示。
同時該變頻器內(nèi)置了復(fù)雜的順序控制功能實現(xiàn)工頻電源和變頻器之間的柔性切換（進行切換時實現(xiàn)電磁接觸器的互鎖），當變頻器運行頻率達到上限及持續(xù)運行時間滿足后（這里分別設(shè)置為50Hz和60s），變頻器自行將變頻無極切換到工頻（不需重新啟動），實現(xiàn)了變頻到工頻的無極切換，大大減少了工頻啟動時對電網(wǎng)電流及管網(wǎng)水壓沖擊，大大加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。電磁接觸器MC2在工頻運行時閉合，變頻運行時斷開；MC3變頻運行時閉合，工頻運行時斷開。控制電路如圖3所示。
圖3 SKI600系列水泵變頻器PID控制接線圖
變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號、工頻運行信號及變頻運行信號等均接入PLC，作為增減機信號及執(zhí)行PID控制的變頻器控制信號。
三、恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計
（1）PLC控制設(shè)計
恒壓供水控制系統(tǒng)為水廠自動化系統(tǒng)中的一個子程序，其控制過程為：操作人員通過在遠程控制室人機界面（WINCC）中輸入泵房機組運行水壓，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)Industrial Ethernet將參數(shù)傳遞到 PLC主站S7-300，主站再通過現(xiàn)場控制主線Profibus-DP傳送控制指令到泵房控制子站S7-200，泵站控制子站根據(jù)水壓指令判斷是否需要調(diào)整水壓，如果需要，通過程序?qū)⑺畨阂髠鬟f給三科SKI600變頻器調(diào)整頻率；默認2#機組為PID控制首選，當2#機組由變頻器PID控制進入工頻運行后且持續(xù)時間足夠長后，S7-200啟動水泵機組增減機程序?qū)崿F(xiàn)增減機操作3#機組，并實行PID控制，達到恒壓供水的目的。增機操作為先啟動2#機組，2#工頻運行后，啟動3#機組并調(diào)頻；在減機操作中先停工頻運行機組，再對變頻機組機組調(diào)頻；機組工頻變頻運行模式由變頻器內(nèi)部進行互鎖，兩臺機組變頻運行模式由PLC進行互鎖，防止機組誤操作；1#為備用機組，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實現(xiàn)任一臺變頻器對其拖動。機組操作必須滿足必要的時間間隔。
（2）PID控制設(shè)計
將出廠水總管壓力壓力傳感器傳來的電流信號（4-20mA）輸入到反饋信號輸入端子；泵房控制子站PLC接受到來自人機界面的壓力要求，壓力指令通過控制子站EM235模塊將模擬量輸出轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出，該電流信號作為PID信號傳送到變頻器PID控制器作為設(shè)定值；PID控制器根據(jù)采集的信號計算出偏差量I(t)，按照PID的微積分控制規(guī)則計算出控制量頻率△f(t),并將頻率控制量送至變頻器控制器，通過調(diào)整輸出頻率改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)整壓力的需求，完成變速恒壓供水的目的。
四、結(jié)束語
原有的供水系統(tǒng)在采用內(nèi)部PID算法控制后，能夠有效的結(jié)合利用先進的PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，令供水水壓保持穩(wěn)定，零沖擊等多個特點。而我們在實際運行操作中，當操作員根據(jù)管網(wǎng)用水量的需求情況可在遠程人機界面中輸入壓力給定值，系統(tǒng)智能平緩實現(xiàn)壓力控制，最終達到平衡。系統(tǒng)在運行中采用水泵變頻器對電機實現(xiàn)軟啟動，減少設(shè)備損耗，變頻控制使得水廠能耗得到最大的優(yōu)化；而壓力平緩控制減少了管網(wǎng)的沖擊，大大降低爆管風(fēng)險系數(shù)；如果結(jié)合管網(wǎng)GIS模型，用城市管網(wǎng)多點壓力數(shù)據(jù)作為信號反饋，實現(xiàn)對城市多水廠的協(xié)同恒壓控制，將開辟城市供水技術(shù)的心時代，使得供水企業(yè)服務(wù)水壓和供水能耗達到一個更加優(yōu)化的平衡。
