一、引言

水資源不管是在日常生活還是在工業生產中都是必不可少的，而且很多時候水源的水質與水壓是現代供水企業賴以生存和發展的基本運行要素，而在以水質穩定為前提下，水壓的服務質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水壓往往意味更高的能耗，如何低能耗及滿足承諾服務水壓中找到一個平衡是現代供水企業密切關注及研究的一個課題。變頻技術的發展使憋閥門調壓成為歷史，而PID技術的發展實現恒壓供水向安全、節能及高品質的方向實現了飛躍。PID恒壓供水系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，保持供水管道壓力恒定，它比傳統的憋閥門供水有較大的優越性，是當今最先進、合理的節能型供水系統。

二、PID恒壓供水系統介紹

在現代工業控制中，利用PLC實現對模擬量的PID閉環控制或者利用專用設備內部PID控制（如變頻器內部PID閉環控制）對監測量的閉環控制是較為常用的PID控制方法。本文主要結合珠海市西部某水廠實際應用為基礎陳述了基于變頻器PID控制在水廠恒壓供水系統中應用。

（1）PID恒壓供水系統硬件設計

本文中的自動恒壓供水控制系統的核心硬件是由PLC網絡、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）和監控執行機構的運行情況；PLC為控制機構，進行數據傳輸及控制指令的發布；執行PID控制拖動水泵機組；壓力變送器監控管道壓力并向控制系統傳輸壓力信號（4-20mA電流）。水廠PID自動恒壓供水系統核心硬件構成圖如圖1所示。

圖1 水廠PID自動恒壓供水系統核心硬件構成圖

（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，根據偏差及時間變化產生一個執行量；PD控制是由比例控制(Ｐ)和微分控制（D）組合成，根據改變動態特性的偏差速率產生一個執行量；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控制是閉環控制系統的比例-積分-微分控制算法，PID控制器根據設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，控制執行機構去影響被控制對象的變化，其控制過程如圖2所示。

同時該變頻器內置了復雜的順序控制功能實現工頻電源和變頻器之間的柔性切換（進行切換時實現電磁接觸器的互鎖），當變頻器運行頻率達到上限及持續運行時間滿足后（這里分別設置為50Hz和60s），變頻器自行將變頻無極切換到工頻（不需重新啟動），實現了變頻到工頻的無極切換，大大減少了工頻啟動時對電網電流及管網水壓沖擊，大大加強了系統的穩定性及安全性。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行PID控制的變頻器控制信號。

三、恒壓供水系統軟件設計

（1）PLC控制設計

恒壓供水控制系統為水廠自動化系統中的一個子程序，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，系統通過工業以太網Industrial Ethernet將參數傳遞到 PLC主站S7-300，主站再通過現場控制主線Profibus-DP傳送控制指令到泵房控制子站S7-200，泵站控制子站根據水壓指令判斷是否需要調整水壓，如果需要，通過程序將水壓要求傳遞給三科SKI600變頻器調整頻率；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時間足夠長后，S7-200啟動水泵機組增減機程序實現增減機操作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#機組并調頻；在減機操作中先停工頻運行機組，再對變頻機組機組調頻；機組工頻變頻運行模式由變頻器內部進行互鎖，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，通過轉換開關可以實現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控制器作為設定值；PID控制器根據采集的信號計算出偏差量I(t)，按照PID的微積分控制規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，通過調整輸出頻率改變水泵電機的轉速，達到調整壓力的需求，完成變速恒壓供水的目的。

四、結束語

原有的供水系統在采用內部PID算法控制后，能夠有效的結合利用先進的PLC網絡技術，令供水水壓保持穩定，零沖擊等多個特點。而我們在實際運行操作中，當操作員根據管網用水量的需求情況可在遠程人機界面中輸入壓力給定值，系統智能平緩實現壓力控制，最終達到平衡。系統在運行中采用水泵變頻器對電機實現軟啟動，減少設備損耗，變頻控制使得水廠能耗得到最大的優化；而壓力平緩控制減少了管網的沖擊，大大降低爆管風險系數；如果結合管網GIS模型，用城市管網多點壓力數據作為信號反饋，實現對城市多水廠的協同恒壓控制，將開辟城市供水技術的心時代，使得供水企業服務水壓和供水能耗達到一個更加優化的平衡。