深讨PID控制淡水泵技术及应用

深讨PID控制淡水泵技术及应用

王永兆

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司广东湛江524057）

摘要：以往的淡水泵控制往往采用诸如利用电接点压力表等来控制泵的起停，淡水泵的流量通过出水阀调节，泵需要克服阀门和管路两者所形成的阻力，能量消耗大，容易产生水锤效应。因此必须充分利用变频器的各种功能，合理采用PID控制变频器和压力传感设备来实现淡水泵控制，这样既做到了无级调速下稳定的、高品质的供水质量，又降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试的时间。

一、概述

本项目通过PLC的PID调节来控制变频器，然后变频器的输出来驱动淡水泵，与普通的淡水泵相比，启停时没有明显的水锤效应，而且在用水频繁时候不需要频繁启停，不易造成淡水泵的损坏，而且也节约电能。根据现场需要，淡水泵可实现工频与变频的运行切换，在运行时有“AUTO、LOCAL、MCC”三种选择模式,AUTO模式的启停由压力设定值来控制；变频运行时，运行频率由反馈压力和给定压力PID控制来调节。

二、所解决的现场技术问题

1.稳态解决淡水泵节能问题：

水在无变频控制时，淡水泵的流量通过出水阀调节，泵需要克服阀门和管路两者所形成的阻力，而通过变频器控制以后，不受阀门影响，降低管路对淡水泵扬程的要求。

2.解决淡水泵调压问题：

当没有变频器控制时，淡水泵改变供水压力比较困难，而且压力极不稳定，而采用PID控制淡水泵以后，通过淡水压力反馈信号与设定的目标压力值进行比较，实现淡水管路的闭环调节，使淡水系统自动恒定在稳定的压力值。

3.解决淡水泵水锤效应影响：

当在无变频器控制时，电机在全压启动或者停止时，在短时间内流量的巨大变化引起管路压力过高或者过低的冲击，而变频器在启动和停止时流量和压力变化平稳，降低水锤效应的影响。

三、项目过程

1.淡水泵的电气控制原理及其分析：

淡水泵主电路、变频器控制电路以及主控制电路分别如下图1、图2、图3所示，这里只摘取图纸中重要部分，例如状态显示部分和端子图均未画出，红色标出部分是在调试过程中修改的。

图1平台淡水泵泵电气主接线图

淡水泵电源取自主开关间（MCC），由1个抽屉柜和1个控制柜组成，通过操作抽屉柜给淡水泵进行停送电，通过控制柜面板的选择开关和按钮对淡水泵工作方式和工作模式进行选择。

图2平台淡水泵变频器控制接线图

（1）淡水泵旁路运行：

由于淡水泵电机运行时需要风扇冷却，所以在启动电机时都必须保证风扇运行，风扇和电机电源是独立的，所以必须先启动风扇，故在启动回路上增加了一个风扇输出接触器的常开点。

淡水泵有“变频”和“旁路”两种工作方式，这两种工作方式是互锁的，当选择开关SA6选择到旁路时，中间继电器K4断开→变频输出接触器KM2断开→变频输出停止→淡水泵处于旁路运行模式。

当需要启动淡水泵时，通过运行模式选择开关SA2来分别选择“LOCAL、MCC、AUTO”3种运行模式，当SA2选择“LOCAL”模式时，可以从现场启动按钮启动淡水泵；当选择“MCC”模式时，可以从主配电间控制柜面板按钮启动淡水泵；当选择“AUTO”模式时，淡水压力变送器电流信号传送到PLC，当压力值低于低限设定值时，PLC发出启动信号启动淡水泵。

图3平台淡水泵泵电气控制接线图

（2）淡水泵变频运行：

同理，当淡水泵选择到变频模式时，淡水泵退出旁路运行模式，淡水泵可分别有“LOCAL”和“MCC”两种控制方式，即可以分别从现场和MCC控制淡水泵的启停，当淡水泵运行时，电机运行频率根据压力设定值和压力反馈值之间的关系进行PID调节，使电机频率能够跟随用水量的大小变化，使淡水压力维持在设定值附近。为了保护电机，设定了最大频率和最小频率，保证电机频率在此范围内安全运行。

如图2所示，变频器在由PLC输出的电流信号控制时，不但需要一个运行信号LI1，还需要1个使能信号LI2（这几个输入DI可以随便定义），故把LI2和LI1并在一起，这样就可以保证只要有运行信号，变频器都是运行在由外部电流信号调节变频器输出频率的PID模式。

频率的调节范围是最小频率与最大频率之间，例如当最小频率设定30HZ、最大频率设定50HZ时，由于PLC输出电流信号在4-20mA之间，所以变频器输出频率为34HZ-50HZ之间。

2.PLC以及组态程序编写

淡水泵的的PLC控制以及组态充分利用了中控系统的PLC和组态系统，PLC控制软件是Rslogix5000，淡水压力信号来自现场压力变送器PT-4221，当检测压力小于低限设定值后且未到高限设定值的时间段内，PLC将根据压力设定值setpoint与压力检测值PCS1:1:1CH12Data之间的比较进行PID运算，输出1路4-20mA的控制信号到变频器，控制变频器的运行频率，当压力高于高限设定值时，输出信号为0。

图4淡水泵PID控制程序

此外，PLC的2路DO信号分别作为淡水泵的中控启停信号，1路DI信号作为淡水泵的运行反馈信号，淡水压力值和淡水泵运行状态皆可以在组态画面上显示。

根据平台用水情况，设定PID值Kp、Ki和Kd，通过现场运行和观察，得出合适的PID值。

3.变频器参数设置

淡水泵电机为功率7.5KW的三相异步电动机，淡水泵配套的变频器是施耐德Altivar61变频器，功率为11KW。

变频器即可以从面板上控制，也可以从外部端子输入控制，正常情况下是由外部端子控制，考虑到电机安全运行，高低速频率分别设定为50HZ和30HZ，则PID输出的频率控制信号调节范围就是介于高低速之间，由于PID输出信号是4-20mA电流信号，淡水泵在PID调节下的运行频率在34HZ（4mA）-50HZ（20mA）之间。

图5淡水泵变频器运行画面

变频器参数设置如下：

1.1简单启动

2/3线控制：2线控制宏设置：泵和风机

用户定制宏：YES标准电机频率：50HZIEC

电机额定功率：7.5kW电机额定电压：380V

电机额定转速：1450rpm电机热保护：15A

加速时间：3S减速时间：3S

低速频率：30HZ高速频率：50HZ

1.5输入输出设置

LI1：启动正转信号LI2：外部频率使能信号

R1：运行状态信号R2：故障状态信号

1.6命令

给定1通道：AI2给定反向禁止：NO

停止按钮优先：YES组合模式：组合通道

给定2切换：通道1有效给定1B切换：LI2

给定1B通道：AI2给定

四、淡水泵调试

旁路工作模式运行调试：先启动风扇，“MCC”运行模式和“LOCAL“分别在MCC和现场启停淡水泵，自动模式则根据淡水压力变送器的高限和低限设定值自动启停，进行开环控制。

变频工作模式运行调试：淡水泵在PID控制时电机运行频率由压力设定值和淡水用量决定，而且控制变频器输出频率的电流信号在满足压力设定值时是一直存在的，但是变频器有输出还需要运行信号，也就是由LI1和LI2共同决定，故在此工作模式下，“MCC”和“LOCAL”两种运行模式也可以分别在MCC和现场启停淡水泵。这样的好处在于可以通过启停按钮来控制淡水泵是否要投入工作，避免在断电恢复送电后淡水泵自动运行。

结语

淡水泵结合了PLC的PID控制和变频器应用，让电机更加平稳的运行，减少了淡水泵启停时水锤对管网和泵的冲击，减少淡水泵的故障率，节约维修成本，通过用户量来进行流量调节，能够节约用电量，使水压能够维持理想水平，满足现场节能降耗的理念。

参考文献

[1]盛克仁.过程测量仪表.化学工业出版社.2001.3.第一版.

[2]乐嘉谦.仪表工手册.化学工业出版社.1998.4.第一版.

[3]仇慎谦.PID调节规律和过程控制.江苏科学技术出版社.1987.12第一版.