宇電儀表在恒壓供水中的應(yīng)用

陳偉（廈門大學(xué)自動(dòng)化系，福建 廈門 361005）
摘要：介紹由AI人工智能調(diào)節(jié)器和PLC等組成的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案及線路原理。由于AI儀表的自學(xué)習(xí)的模糊控制算法，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、性能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：供水；變頻；AI智能調(diào)節(jié)器

引言

    恒壓供水在工業(yè)和民用供水系統(tǒng)中已普遍使用，由于系統(tǒng)的負(fù)荷變化的不確定性，采用傳統(tǒng)的PID算法實(shí)現(xiàn)壓力控制的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)很難收到理想的效果。在恒壓供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初期曾采用多種進(jìn)口的調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)總是不穩(wěn)定，通過實(shí)際應(yīng)用中的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用模糊控制理論形成的控制方案在恒壓系統(tǒng)中有較好的效果。在實(shí)施過程中選用了AI-808人工智能調(diào)節(jié)器作為主控制器，結(jié)合FX1N PLC邏輯控制功能很好地實(shí)現(xiàn)了水廠的全自動(dòng)化恒壓供水。對(duì)于單獨(dú)采用PLC實(shí)現(xiàn)壓力和邏輯控制方案，由于PLC的運(yùn)算能力不足編寫一個(gè)完善的模糊控制算法比較困難，而且參數(shù)的調(diào)整也比較麻煩，所以所提出的方案具有較高的性價(jià)比。

工作原理

    系統(tǒng)主要由AI-808人工智能調(diào)節(jié)器、變頻器、控制接觸器組、水泵、閥門、壓力變送器等組成。由于水泵功率較大，為節(jié)約成本，只用1臺(tái)變頻器，3臺(tái)水泵的其中2臺(tái)可以采用變頻調(diào)速，這樣在某1臺(tái)故障或維護(hù)時(shí)可以切換到另1臺(tái)進(jìn)行變頻控制。圖1為供水系統(tǒng)的原理框圖。

壓力傳感器檢測(cè)出水總管壓力，經(jīng)變送器送至AI-808儀表，與設(shè)定值比較得到壓力誤差和誤差變化率，經(jīng)AI-808*的模糊、PID相結(jié)合的控制算法運(yùn)算后，將輸出控制信號(hào)（4~20mA）送到變頻器控制端。通過調(diào)節(jié)頻率從而使出水管壓達(dá)到要求指標(biāo)。當(dāng)用戶和水量增加時(shí)，在一臺(tái)水泵變頻達(dá)到50Hz仍不能滿足供水壓力要求，PLC將檢測(cè)到AI-808調(diào)節(jié)器的壓力低信號(hào)，按其邏輯及工藝要求，加入另1臺(tái)水泵工頻運(yùn)行；同樣，在用戶用水量下降，PLC通過收到AI-808調(diào)節(jié)器的水壓高信號(hào)后，將其中1臺(tái)工頻水泵退出運(yùn)行。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，變頻器是固定控制某一臺(tái)水泵，不實(shí)施多臺(tái)水泵切換的方法。這樣可以避免頻繁切換對(duì)系統(tǒng)及變頻器造成的沖擊，并具有較高的可靠性。同時(shí)也考慮到靈活性及檢修等方面，系統(tǒng)可采用手動(dòng)方式選擇2臺(tái)水泵中的1臺(tái)變頻運(yùn)行，也可以減少某1臺(tái)水泵長(zhǎng)期低頻運(yùn)行所造成的損耗。

控制算法

    工業(yè)過程中常用的PID控制器適用于線性定常系統(tǒng)，而供水系統(tǒng)的對(duì)象時(shí)常含有非線性、時(shí)變環(huán)節(jié)，而且有些參數(shù)未知式緩慢變化，因此單獨(dú)采用PID控制較難達(dá)到理想的控制效果，AI人工智能調(diào)節(jié)器采用模糊控制和改進(jìn)PID相結(jié)合的雙模控制算法，入圖2所示

　　　　　　　　
當(dāng)控制開始時(shí)，誤差e=Y-s較大，即偏差| e |≥EM時(shí)（EM為雙模控制算法e的邊界值），系統(tǒng)采用模糊控制算法，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。在誤差逐漸減小，即偏差| e |將誤差e和誤差變化率c整量化及模糊化后，采用帶修正因子的模糊控制規(guī)則：
P=[αe+(1+α)c]
式中：P為控制量U的整量化值；α為修正因子，介于0，1之間的數(shù)。
改變α的值可以改變雙模算法的模糊控制規(guī)則，從而改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。AI調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)整功能。
改進(jìn)型PID算法采用抗積分飽和及不*微分方式。其傳函形式為：

　　　　　　　　　　　　　
式中：KD為微分增益，在階躍作用下，PD輸出初始值和zui終值之比；為限制微分突變作用太強(qiáng)，KD取值不宜過大，一般取5～10。
在調(diào)試過程中，在定值變化時(shí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中如圖3。在通過調(diào)節(jié)閥門反映負(fù)荷變化時(shí)其調(diào)節(jié)過程如圖4所示。

設(shè)備選型及功能 　AI-808人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器

    AI-808人工智能調(diào)節(jié)器具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的*控制算法。在誤差大時(shí)，運(yùn)用模糊法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除PID飽和積分現(xiàn)象；當(dāng)誤差減小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動(dòng)學(xué)習(xí)和記憶被控對(duì)象的部分特征以使效果*化。其具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡(jiǎn)單，對(duì)復(fù)雜對(duì)象也能獲得較好控制效果等特點(diǎn)。其整體調(diào)節(jié)效果比一般的PID算法更明顯。這一點(diǎn)在系統(tǒng)調(diào)試中得到驗(yàn)證，起初選用日本生產(chǎn)的單純PID調(diào)節(jié)器，在用水量變化和水泵投退過程中，其超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間均不理想，在改用AI-808智能儀表后，其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)均滿足了要求。 　

可編程控制器

    選用FX1N系列可編程控制器，輸出為繼電器類型。由于PLC只完成水泵自動(dòng)切換等邏輯功能，所以不需要模擬量輸入輸出模塊，從而節(jié)省了投資，系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制由AI-808人工智能儀表完成，其算法的*性遠(yuǎn)高于PLC內(nèi)部較為簡(jiǎn)單的PID算法。 　

變頻器

    采用艾默生TD2000-4T2000P型變頻器,適用于水泵型負(fù)載?？赏ㄟ^手動(dòng)電位計(jì)或AI-808調(diào)節(jié)器輸出的電流信號(hào)來控制頻率。這二種模式的切換由操作臺(tái)手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。將變頻器多功能端子定義為電位計(jì)-電流信號(hào)控制模式。 　

控制臺(tái)

    系統(tǒng)控制臺(tái)設(shè)計(jì)兼顧了手動(dòng)和自動(dòng)2種操作方式。手動(dòng)狀態(tài)下，每一臺(tái)水泵和閥門都可以單獨(dú)開啟/停止，變頻器頻率可通多圈電位計(jì)手動(dòng)調(diào)節(jié)；在自動(dòng)模式下，通過選擇開關(guān)確定要投入運(yùn)行的水泵，這樣在某臺(tái)水泵維修時(shí)，可以讓其退出自動(dòng)運(yùn)行的行列，而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？刂婆_(tái)除了PLC、AI-808調(diào)節(jié)器外，還設(shè)有水位顯示儀、分管壓力顯示儀、頻率表。

參數(shù)設(shè)置

    AI-808調(diào)節(jié)器提供豐富的用戶設(shè)置方式，使其對(duì)不同的控制均能達(dá)到滿意的控制效果。參數(shù)設(shè)置決定系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，該系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下：給定值：0.43~0.47Mpa
HIAL：上限報(bào)警，不用。
LOAL：下限報(bào)警，不用。
dHAL：正偏差報(bào)警，系統(tǒng)用于控制水泵的切換，Dhal=0.05
dLAL：負(fù)偏差報(bào)警，系統(tǒng)用于控制水泵的切換，dLAL=0.05.
Df：回差（死區(qū)、滯環(huán)），用于避免因測(cè)量輸入值波動(dòng)而產(chǎn)生頻繁調(diào)節(jié)作用，在回差范圍內(nèi)位式調(diào)節(jié)不起作用，Df=0.05。
Ctrl：控制方式，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)，Ctrl＝1。
M5：保持參數(shù)，主要決定調(diào)節(jié)算法中的積分作用，和PID積分時(shí)間類似，M5越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。M5=0時(shí)取消積分和AI人工智調(diào)節(jié)，成為PD調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)值=25。
P：速率參數(shù)，與每秒內(nèi)儀表輸出變化100%時(shí)測(cè)量值時(shí)應(yīng)變化大小成正比，P=1000/每秒測(cè)量值的升高單位值（系統(tǒng)以0.1定義為一個(gè)單位），P=5。
T：滯后時(shí)間，t越小，則比例和積分作用均成正比增強(qiáng)，而微分作用相對(duì)減弱，但整體反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng)：反之，t越大，則比例和積分作用均減弱，而微分作用相對(duì)增強(qiáng)，t=4。
Ctl：輸出周期，反映儀表運(yùn)算調(diào)節(jié)的快慢，Ctl=2。
Sn：輸入反饋信號(hào)類型，Sn=33，信號(hào)為1~5V。

結(jié)語(yǔ)

    系統(tǒng)采用AI-808人工智能調(diào)節(jié)器和FX1N PLC相結(jié)合的變頻調(diào)速恒壓供水方案已在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行多年，情況表明：
(1)用AI人工智能調(diào)節(jié)器，采用模糊控制和PID結(jié)合的控制方案，發(fā)揮了2種控制器的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)具有恢復(fù)時(shí)間快、超調(diào)小等優(yōu)點(diǎn)。其自整定功能為用戶提供了一種方便快捷的參數(shù)設(shè)置方法，系統(tǒng)穩(wěn)定誤差在 ±0.01Mpa。
(2)電機(jī)功率為180kW，采用單臺(tái)變頻切換的方式有利于降低系統(tǒng)造價(jià)。
(3)變頻調(diào)速系統(tǒng)使水泵電機(jī)在軟起動(dòng)下運(yùn)行，無沖擊電流、使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)具有良好的節(jié)能效果。