PID调节在恒压供水中的应用

PID调节在恒压供水中的应用
杨燕;王睿;李永华
【摘要】介绍了实际应用于农作物灌溉的控制系统，根据输水管中的压力变化，利用PLC中的PID模块调节变频器的运转频率，从而控制水泵的流量，达到恒压供水的目的。

本系统具有省时、省水、省电的优点，并能减少操作人员，大大降低运行成本。

%This paper describes a practical application of crop irrigation control system according to the pressure of pipes, PID module in the PLC regulating frequency inverter to control the flow of water pumps, achieve the purpose of constant pressure water supply. The system have time-saving, and can reduce the manpower, greatly operating costs water and power saving advantages,
【期刊名称】《宁波职业技术学院学报》
【年(卷),期】2011(000)005
【总页数】3页(P12-14)
【关键词】变频调速;PID;恒压供水;PLC
【作者】杨燕;王睿;李永华
【作者单位】扬州职业大学,江苏扬州225002;扬州职业大学,江苏扬州225002;扬州职业大学,江苏扬州225002
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
原有的农作物灌溉是通过接触器直接控制水泵的启停，水泵一直以工频（50 Hz）运转，水经过沟渠排放到农田或大棚。

水泵以工频运转，流量是固定的，不能根据用水量多少进行调整，这样必然造成水电的浪费。

并且，还需要人员看守泵房，待各处农作物灌溉完毕再关掉水泵。

原有的灌溉方式主要是恒流量模式，要避免其缺点就是采用恒压模式。

恒压供水的好处是流量可以根据用水量进行调整，用水量增加，为了保持恒压，水泵运转速度提高，增大供水量；用水量减少，水泵运转速度降低，减少供水量，保持恒定压力。

恒压供水需要采用密闭管道输送水，在灌溉处安装阀门，可以自由控制用水量，当灌溉完毕，关闭所有阀门后，水泵会自动停止运转。

为了调整水泵运转速度，需要采用变频器驱动水泵。

为了实现恒压供水，需要使用PLC来自动调节变频器的运转频率，而PLC调节的依据是输出管道上压力传感器的数值。

系统的主回路如图1所示。

该系统中有1个变频器、2个水泵和4个接触器。

每个水泵都有2个回路：一个是工频运转回路，一个是变频运转回路。

为了达到目标供水流量，可以直接选用一个较大的水泵和一个相应的变频器。

而本系统的方案的好处是在实现目标流量的基础上，还能降低成本。

因为变频器功率缩小一半，成本会降低很多，并且系统稳定性也相对较好，如果一台水泵损坏，另一台还能继续使用。

本系统通过电气柜面板上的开关及按钮来操作。

电气柜操作面板上有一个手/自动切换开关，5个指示灯和6个复位按钮。

5个指示灯分别是水泵1工频指示灯、变频指示灯、水泵2工频指示灯、变频指示灯及电源指示灯。

6个复位按钮分别是水泵1工频启动、停止按钮，水泵2工频启动、停止按钮，自动启动、停止按钮。

手/自动切换开关用来切换系统的运行模式，在手动模式下，可以通过工频启动、停止按钮控制2个水泵的运转，而自动启动、停止按钮将不起作用，并且只有工频指示灯会点亮或熄灭。

将手/自动切换开关拨到自动状态后，工频启动、停止按
钮将不起作用，而自动启动、停止按钮有效，按下自动启动按钮，将由PLC来控
制水泵的运转，实现恒压功能。

自动模式下，水泵1会在工频与变频两种模式下
切换，工频与变频指示等都有可能被点亮或熄灭。

为了保护变频器，水泵在两种模式下切换时，通过PLC来实现延时闭合或断开。

需注意的是系统在手动与自动模
式之间切换时，最好先停止水泵的运转。

随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往的水泵直接启动的灌溉方式。

添加变频器后，水泵起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击。

由于水泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等使用寿命，可以消除起动和停机时的水锤效应。

通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开1台或2台。

在采用变频调速进行恒压供水时，常用两种方式，其一是所有水
泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用1台变频器。

后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒
压的目的，只有一个闭环回路，较简单，但成本高。

前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向。

本系统就是采用前种方法实现一台变频器驱动两台水泵。

PID控制原理：根据反馈原理，要想保持水压的恒定，必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。

但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；
在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。

这通过PLC加智能仪表可实现该算法，同时对PLC的编程来实现泵的工频与变频之间的切换。

实践证明，使用这种
方法是可行的，而且造价也不高。

要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控
制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。

本系统中PID的控制方块图如图2所示：系统在自动运行刚启动时，PID输出值为0，复合值与初始值相同，PLC给变频器一个初始频率驱动水泵运转。

本系统采用的是台达的SX系列PLC，带有一个电压输入模拟量模块（AD）与一个电压输出模拟量模块（DA），输入模块用来将压力表的电压转换成压力现在值，输出模块用来将复合值转换成电压。

输入输出模块的数值范围是0～2 000，对应的电压是0～10V。

本系统中初始值设置为2000，转换成电压值为10V，对应变频器运行频率为50Hz。

自动运行后，PID输出值会根据压力现在值与压力目标值的差相应变化，其变动范围是-2000～2000。

PID输出值与初始值（2000）相加得到复合值（0～4000）。

当复合值大于2000时，PLC将水泵1切换到工频运转，然后将水泵2切换到变频运转。

例如，复合值为3000，则DA模块转换值为1000（3000-2000），电压值为5 V，水泵2对应的运转频率为 25 Hz。

为了保证PID模块的正常运行，必须先要设置一些相关参数。

主要参数如下：（1）取样时间：是指PID指令的更新周期，此处为 100 ms；
（2）比例增益（P）：是指 SV-PV 的差值放大比例；
（3）积分增益（I）：是指每个取样时间单位乘以误差值的累积值的放大比例，影响MV的变化快慢；
（4）微分增益（D）：是指每个取样时间单位里误差变化量的放大比例；
（5）偏差量（E）不作用范围：是指当│SV-PV│≤E时，MV保持不变；
（6）输出值饱和上限：是指MV超过上限则以此上限值输出，此处为2000；（7）输出值饱和下限：是指MV低于下限则以此下限值输出，此处为-2000。

上面几个参数中，有些是根据设定方案是可以确定的，而比例增益、积分增益及微分增益是需要根据现场调试来确定的。

一般步骤是先将积分增益与微分增益设置为0，根据经验调节比例增益，当PID输出值大致可控时，再调整积分增益。

因为积
分增益值影响输出值的变化快慢，所以应该从小到大依次调整积分增益，避免输出值变动过大带来的不良影响。

最后再调整微分增益，同样是从小到大调整，以不超过积分增益的10%为原则。

PID参数设置好以后，系统进入自动运行时，当用水量增大，管道压力下降，低于设定的压力目标值（SV），PID输出值将增大，变频器的频率随之增大，从而水
泵运转速度提高，增大供水量，管道压力也随之升高，达到设定压力后，PID输出值将不再变化，水泵转速保持恒定。

当用水量减少，管道压力升高，PID输出值将减小，水泵转速降低，当阀门全部关闭后，PID输出值将降到其下限值（-2000），水泵将停止运转。

这样就能实现管道压力相对稳定，实现恒压供水。

另外需要说明的是，本系统采用的是台达PLC，相关的PID参数也是根据台达PLC资料进行设
置的，不同品牌的PLC其PID参数可能不一样。

恒压供水系统相对原有的恒流量供水方式具有节约水资源，节省电能源的优点。

采用变频器驱动水泵，使其启停更加平稳，对电网的冲击很小，并能延长水泵的使用寿命。

采用PLC自动控制，使其操作更加灵活、简便。

通过观察现场的运行情况，本系统运行平稳可靠，节省电约20%～40%，应该在农作物灌溉中大力推广。

【相关文献】
[1]王永华．现代电气控制与PLC应用技术 [M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[2]刘邦凯．变频技术在城市供水中的应用 [J]．长沙铁道学院学报：社会科学版，2004（3）：
120-122．。