解決變頻恒壓供水壓力波動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用

孫美林

(山西省陽泉固莊煤礦,山西 陽泉 045000)

隨著煤礦洗煤工藝的改進(jìn),傳統(tǒng)的水泵全頻滿負(fù)荷運(yùn)行并通過水泵出口閥門調(diào)節(jié)用水量的供水方式已不能滿足連續(xù)穩(wěn)壓供水要求,而采用變頻器+PID調(diào)節(jié)器的恒壓控制方式在實(shí)際運(yùn)行中,仍存在由于系統(tǒng)壓力波動(dòng)造成系統(tǒng)超壓或欠壓,本文所述的就是如何通過設(shè)施改進(jìn)和PID調(diào)試,保證供水系統(tǒng)的節(jié)能、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。

1　供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀分析

1.1　供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了滿足洗煤廠不間斷穩(wěn)壓用水,某礦供水管網(wǎng)投入一套變頻自動(dòng)恒壓供水設(shè)備(見圖1)。系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)儀將設(shè)定水泵出口壓力信號(hào)(0.55 MPa)與實(shí)際水泵出口壓力信號(hào)進(jìn)行比較,同時(shí)將輸出信號(hào)給予變頻器,來實(shí)現(xiàn)變頻器控制的水泵電機(jī)變頻運(yùn)行,使水泵出口壓力恒定維持在0.55 MPa±0.01 MPa,保證系統(tǒng)在不受用水量變化的影響下,實(shí)現(xiàn)不間斷恒壓供水。

圖1　變頻自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)圖Fig.1　Frequency-conversion and automatic constant-pressure water supplying system

1.2　現(xiàn)狀分析

在水泵恒壓供水運(yùn)行過程中,短時(shí)間內(nèi)用水量突減,會(huì)造成瞬時(shí)水泵出口壓力高出其穩(wěn)定運(yùn)行壓力,若壓力值超出水泵、管道及用水設(shè)備壓力承受范圍,就會(huì)對(duì)其造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此為了確保系統(tǒng)安全運(yùn)行,設(shè)定水泵出口壓力超出0.65 MPa后,自動(dòng)停泵。在某礦恒壓供水系統(tǒng)中,水泵出口壓力頻繁超出0.65 MPa,最高值達(dá)到0.70 MPa(時(shí)間1 s～2 s),最低值降到0.45 MPa,壓力波動(dòng)范圍大,波動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),運(yùn)行中多次無規(guī)律自動(dòng)停泵,不能正常供水。

2　供水系統(tǒng)壓力波動(dòng)原因

變頻自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性是系統(tǒng)運(yùn)行的兩項(xiàng)基本要求,實(shí)時(shí)性指的是隨著用水量的變化,系統(tǒng)能及時(shí)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行頻率保證出口壓力恒定,穩(wěn)定性指的是隨著用水量的變化,系統(tǒng)壓力不會(huì)發(fā)生太大的波動(dòng),使水泵出口壓力維持在一個(gè)固定值范圍。某礦供水系統(tǒng)出現(xiàn)自動(dòng)停泵,則是系統(tǒng)穩(wěn)定性差造成系統(tǒng)超壓所致。經(jīng)過多次認(rèn)真分析研判,判斷造成水泵出口壓力超出高限壓力值的主要原因是遠(yuǎn)傳壓力表反饋回的信號(hào)失真、PID調(diào)節(jié)儀參數(shù)調(diào)節(jié)不合理。

3　實(shí)施方案

解決系統(tǒng)超壓停泵的問題,應(yīng)從設(shè)施改進(jìn)和PID調(diào)試兩個(gè)方面著手。

3.1　設(shè)施改進(jìn)

3.1.1更換遠(yuǎn)傳壓力表為壓力傳感器

某礦原恒壓供水系統(tǒng)選用的是YTZ-150型遠(yuǎn)傳壓力表,其傳送的信號(hào)是電阻信號(hào),優(yōu)點(diǎn)是不需進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換就可直接顯示壓力數(shù)據(jù),缺點(diǎn)是傳送信號(hào)精度不高,加之水泵出口管路有輕微震動(dòng),因此傳到PID顯示調(diào)節(jié)儀的信號(hào)易受到干擾,出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

壓力傳感器是把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),一般不直接顯示壓力,可以通過電流信號(hào)傳送到PID顯示調(diào)節(jié)儀上,優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)傳送精度高,不易受干擾。

鑒于以上原因,將遠(yuǎn)傳壓力表更換為TJP-2型壓力傳感器。測(cè)量?jī)x表更換后,系統(tǒng)超壓的頻次有所降低,但自動(dòng)停泵的時(shí)間由無規(guī)律轉(zhuǎn)為用水高峰期。

3.1.2控制回路加入時(shí)間繼電器

經(jīng)觀察PID顯示儀,超壓故障發(fā)生到解除,僅有1 s～2 s時(shí)間,短時(shí)間內(nèi)超出高限壓力值,造成故障停泵。鑒于超壓時(shí)間短,在控制回路加入時(shí)間繼電器延時(shí)斷開接觸器(見圖2),實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)超壓不停泵。

圖2　加入時(shí)間繼電器的控制回路圖Fig.2　Control loop diagram with time relay

在改造后的控制回路中,設(shè)定時(shí)間繼電器延時(shí)5 s,即若超壓時(shí)間在5 s范圍內(nèi),時(shí)間繼電器控制的水泵接觸器不會(huì)動(dòng)作,水泵不會(huì)停機(jī),若超壓時(shí)間超出5 s,則水泵自動(dòng)停機(jī)。

在運(yùn)行過程中時(shí)間繼電器不可能長(zhǎng)時(shí)間地延緩超壓停機(jī),要想解決實(shí)質(zhì)性系統(tǒng)超壓?jiǎn)栴},還需通過PID參數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

3.2　PID調(diào)試

在水泵恒壓供水過程中,用水時(shí)間、用水量不是特別明確,因此PID就需要采用閉環(huán)控制策略,而PID參數(shù)的合理確定直接決定了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。PID參數(shù)的調(diào)整沒有固定的模式,只能通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方式,并遵循先比例(P)、后積分(I)、再微分(D),從小到大的原則進(jìn)行調(diào)試。

3.2.1P值調(diào)試

P值調(diào)試即比例控制,由于控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系,且僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此P值的調(diào)試安排在用水量相對(duì)小、動(dòng)態(tài)干擾小的時(shí)間段(10:00 pm),盡量減少動(dòng)態(tài)誤差。通過從小到大設(shè)定不同的P值,觀察水泵出口壓力變化情況, 如表1所示。

表1　P值調(diào)試情況記錄表Table 1　Debugging of P-value

經(jīng)過調(diào)整P值觀察水泵出口壓力,發(fā)現(xiàn)增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng),減少波動(dòng)次數(shù),降低波動(dòng)時(shí)間,實(shí)時(shí)性加強(qiáng),但是過大的P值會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào),實(shí)際運(yùn)行壓力達(dá)到0.75 MPa,嚴(yán)重超出設(shè)定的目標(biāo)值0.55 MPa,使系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的振蕩,穩(wěn)定性遭到破壞,導(dǎo)致超壓停泵。減小比例系數(shù)P值會(huì)使系統(tǒng)壓力波動(dòng)頻繁,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),最長(zhǎng)達(dá)到30 s,不能滿足用水負(fù)荷變化壓力及時(shí)跟蹤的要求。通過反復(fù)調(diào)試,初步設(shè)定當(dāng)P值為50%時(shí),水泵出口壓力(0.58 MPa～0.52 MPa)相對(duì)于目標(biāo)值0.55 MPa穩(wěn)定,是較為理想的參數(shù)值,但仍存在靜態(tài)誤差,即相對(duì)于0.55 MPa有偏差,且壓力波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),在這種情況下,需加入積分控制。

3.2.2I值調(diào)試

I值調(diào)試即積分控制,其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系,即積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大,誤差會(huì)越來越小,直到全部消除。在P值為50%的前提下從小到大設(shè)定不同的I值,觀察水泵出口壓力變化情況,如表2所示。

表2　I值調(diào)試情況記錄表Table 2　Debugging of I-value

經(jīng)過調(diào)整I值觀察水泵出口壓力,發(fā)現(xiàn)增大積分時(shí)間I有利于減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加,通過反復(fù)調(diào)試,初步設(shè)定當(dāng)I值為5 s時(shí),水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對(duì)于目標(biāo)值0.55 MPa穩(wěn)定,是較為理想的參數(shù)值。但是系統(tǒng)壓力波動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30 s,仍未達(dá)到穩(wěn)壓控制實(shí)時(shí)性的要求,在這種情況下,需加入微分控制。

3.2.3D值調(diào)試

D值調(diào)試即微分控制,其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系,即在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),使抑制誤差作用的變化“超前”,避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此,當(dāng)用水負(fù)荷發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,必須加入微分控制。在P值為50%、I值為5 s的前提下,選在用水高峰期設(shè)定不同的D值,觀察水泵出口壓力變化情況,如表3所示。

表3　D值調(diào)試情況記錄表Table 3　Debugging of D-value

經(jīng)過調(diào)整D值,觀察水泵出口壓力,增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使系統(tǒng)超調(diào)量減小,穩(wěn)定性增加,但微分時(shí)間過長(zhǎng),會(huì)造成系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。通過反復(fù)調(diào)試,初步設(shè)定當(dāng)D值為15 s 時(shí),波動(dòng)時(shí)間為3 s,水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對(duì)于目標(biāo)值0.55 MPa穩(wěn)定,達(dá)到了恒壓供水系統(tǒng)穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性的要求。

3.2.4PID調(diào)試小結(jié)

通過多次調(diào)試,最終確定P值為50%、I值為5 s、D值為15 s時(shí),水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對(duì)于目標(biāo)值0.55 MPa運(yùn)行穩(wěn)定,系統(tǒng)反應(yīng)快、超調(diào)小,是較為理想的參數(shù)。既避免了系統(tǒng)超壓停泵,又保證了用戶恒壓正常用水。

在利用PID進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制中,P值是解決幅值震蕩的,增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng);I值是消除靜態(tài)誤差的,增大積分時(shí)間I有利于消除靜態(tài)誤差,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加;D值是解決動(dòng)作響應(yīng)的速度快慢的,增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使系統(tǒng)超調(diào)量減小,穩(wěn)定性增加。

4　結(jié)束語

變頻恒壓供水設(shè)備,不受用水量變化和用水時(shí)間的影響,很好地實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)壓供水;控制系統(tǒng)配套的測(cè)量?jī)x表改用了精準(zhǔn)度更高的壓力傳感器,解決了使用遠(yuǎn)傳壓力表信號(hào)失真的問題;在PID調(diào)試過程中,必須遵循調(diào)試原則,嚴(yán)密觀察壓力變化情況,反復(fù)調(diào)試,獲取合理的PID參數(shù)。