1引言

随着城镇化进程的不断发展以及城市家庭人均用水量的不断提高，对城市水系统的要求越来越高。由于用水周期的不同，比如白天比晚上用水多，夏季比冬季用水多等等，往往会出现在用水高峰期时水压不足的现象，造成很多城市公用管网水压变动较大，且每天的不同时段对水压的要求也不同，仅仅靠人工调节出口阀门开度及频繁开停泵来调节流量，很难及时有效的达到目的。这种情况下造成用水高峰期时水位达不到要求，供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标，压力过高。不仅造成了水资源的严重浪费而且存在巨大的事故隐患，如压力过高容易造成爆管事故。吉林某市水务集团负责全市的居民及工业用水，为解决上述矛盾和提高供水系统的自动化水平，经过充分的市场调研和严格的招投标程序，决定使用开云(中国)电子科技发展有限公司的JD-BP37/38系列高压变频调速系统。风光变频调速系统具有完善的PID控制功能，该功能根据水厂出口处的水压值自动调节水泵电机的运行速率，实现了城市供水管网的恒压供水。
2 PID控制及自来水厂的恒压供水应用
2.1 PID控制原理

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制原理图如图1所示。

 
图1  PID控制原理框图

(1) 比例（P）控制
　　比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。该系数加大，可以加快调节速度，但如果过大，系统容易因超调而震荡。
    (2) 积分（I）控制
　　在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的，或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在不需要比例调节，只单独需要积分调节，并且调节器作反向调节时，设置为PID反。该系数绝对值加大，调节器响应速度变慢。
    (3) 微分（D）控制 
　　在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。在不需要比例调节，只单独需要微分调节，并且调节器作反向调节时，设置PID反。该系数绝对值加大，可以加快调节器动态响应速度。
（4）PID控制实现过程

比例-积分-微分控制规律，即PID控制,是集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除误差能力，还有微分作用的超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把误差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
2.2 风光变频器PID控制参数介绍

为满足不同用户对不同现场PID功能的要求，变频器主控程序在设计时预留了不同的参数，用户可以根据自身的实际需求“私人订制”PID功能。
最大压力设定（1~30000）
根据现场水压的实际压力设置，单位可选择kPa或Pa（在HMI中有相应的参数）。
PID结构（0~3）
        0：比例            PID控制只比例增益起作用
        1：积分            PID控制只积分增益起作用
        2：比例+积分       PID控制比例增益和积分增益同时起作用
        3：比例+积分+微分  PID控制比例增益、积分增益和微分增益同时起作用
    默认为PID控制比例增益和积分增益同时起作用
PID设定通道选择（0~2）：设定PID目标值的通道
        0：HMI       即变频器闭环设定（如压力）通过通信给定（一般为HMI）
        1：AI1        即变频器闭环设定（如压力）通过主控板的AI1端子给定
        2：AI2        即变频器闭环设定（如压力）通过主控板的AI2端子给定
        AI1、AI2是风光变频器对2路模拟量输入定义的名称。
PID反馈通道选择（0~1）：PID反馈值（模拟量）传输给主控的通道
        0：AI1        即变频器闭环反馈（如压力）通过主控板的AI1端子给定
        1：AI2        即变频器闭环反馈（如压力）通过主控板的AI2端子给定
比例系数（0.00~5.00）：设置、调整比例系数
比例系数越大则响应越快，过大容易产振荡。
积分系数（0.1~100.0）：设置、调整积分系数
仅用比例系数调节，不能完全消除偏差，为了消除残留偏差，可采用积分增益，构成PI控制。积分时间越小对偏差响应越快，但过小容易产生振荡。                    
微分系数（0.0~5.0）：设置、调整微分系数
PID设定和反馈误差的变化率乘以此参数作为PID控制中微分环节的输出。它能预测误差变化的趋势，能加快系统的响应，改善系统在调节过程中的动态特性，此参数值过大，容易产生振荡。
闭环调节特性选择（0~1）
    0：PID为正特性
    1：PID为负特性
为满足现场不同压力变送器的特性，特意设置此参数。
正特性：反馈模拟量4-20mA代表最小值-最大值。
负特性：反馈模拟量4-20mA代表最大值-最小值。
在现场实际应用中，一般选择HMI给定目标压力，通过AI1端子给定反馈压力，根据现场的实际情况调节相应的系数，便可实现PID功能控制。
2.3 自来水厂恒压供水系统
   为满足不同时段不同地区的用水压力需求，该水厂采用先进的恒压供水控制系统，可以对水厂出口处的水压值V进行精确的处理和控制，并与压力设置值Vi构成闭环控制系统。恒压供水系统原理如图2所示。变频器内部的主控DSP采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

 
图2恒压供水系统原理图

3 现场应用
3.1 系统介绍
3.1.1二次清水泵
      二次清水泵即可供应合格的自来水，经水泵加压后，直接送管内供给用户。该厂有4台电压10kV，其中2台630kW，2台450kW，相同功率的电机互为备用。高峰时段开630kW一台，低峰时段开450kW一台。在夏天高峰流量时要开630kW一台，再加450kW一台，过去是采用人工方式调节出口阀门来调节流量（或压力），显然这是不经济的运行方式，亦不及时。而采用变频调速后，能自动调速，既能做到压力稳定，节能降耗，又能实现自动闭环PID调节。
设备组成:
（1） 电动机   Y500-8，630kW，744r/min，10kV，42.8A，cosφ为0.85；
水泵   扬程39m，2700m³/h，730r/min；
（2） 电动机   Y500-8，450kW，744r/min，10kV，30.5A，cosφ为0.85；
水泵  扬程35m，2146m³/h，730r/min；
3.1.2一次抽水泵
      一次抽水泵即将河中的水，经泵打入蓄水池，并经处理合格后将水送出。水厂布局是一次抽水泵与二次清水泵相距不远，按出水量需要，来自动控制抽水量，做到经济合理的运行，不使过大的进水量形成蓄水池的溢出，而浪费电能。
3.2 运行主回路
吉林某水务集团结合该自身的实际情况，为满足泵站的安全运行需求，要求水泵电机一用一备设置，因此选择了开云(中国)JD-BP38系列高压变频调速系统中一拖二手动运行的主回路，主回路图如图3所示。其中K1刀闸与K4刀闸互锁，保证两路高压电源不会同时作用于变频回路；K2刀闸与K3刀闸互锁，保证工频电源与变频电源不会同时作用于电机M1；K5刀闸与K6刀闸互锁，保证工频电源与变频电源不会同时作用于电机M2.

 
图3 一拖二手动主回路图

选用一拖二的结构，可以保证在电机在故障时通过刀开关的调节，变频启动备用水泵；在用水高峰期时可以采用工频运行630kW水泵电机、变频运行450kW水泵电机的模式来满足供水水压的需求；在用水低峰期时根据实际需求选择变频运行任意一台水泵电机。
3.3 压力分时赋值功能

众所周知，一天不同时段对供水母管压力的需求不同，根据该厂的实际情况以及多年的母管压力记录数据，风光变频器结合自身主控板优越的计算性能和人机界面友好的交互功能及灵活性的组态功能，针对自来水厂恒压供水的特点开发了压力分时赋值功能。压力分时赋值设置画面如图4所示，该功能将一天的24小时分为12个时间区段，每个时间段对应该时间段顶峰压力值的百分比（实际就是图4中的压力设置Vi值）。

 
图4 压力分时赋值设置画面

变频器人机界面在运行中根据实际运行时间自动按照设置好的压力值赋值到主控，然后变频器主控将运行频率调整至该压力值对应的频率，时间段与压力值的对应关系如表1所示。

如果某时间段内压力值设定为0，则该时间段变频器将处于待机状态，不输出高压电。
例如，将P1设定为0，则变频器在(0－t1)时间段内处于待机状态，而在（t1-t2）时间段内自动以P2（P2大于0）压力值运行。将P8设为0，（t6-t7）时间段内以P7（P7大于0）压力值运行，（t7-t8）时间段内待机，（t8-t9）时间段内以P9（P9大于0）频率运行。
如果不需要设置12个时间段，则只需将多余时间段的时间及压力值与用到的第一个压力值设置成一样即可。如图4所示，假如只用到10个频率段，则只需要将剩余的2个时间段全部设置为0时0分、压力值设置为80%即可，即与第一个时间段的时间和压力值设置成一样。
4 结束语

风光高压变频器在该水务集团实际运行以后，提高了水厂的自动化水平，减小了人为操作产生的错误。为水厂创造了巨大的经济效益，同时产生了明显的社会效益。随着城镇化进程的不断推进，在节能降耗的大背景下，水厂的自动化改造也会越来越常态化，这为高压变频调速系统的应用提供了广泛的前景。