AI儀表控制原理和工作過程及在軟化水裝置中的應(yīng)用

一、概述

隨著現(xiàn)代電力控制技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速為代表的應(yīng)用技術(shù)日趨成熟和普及。在現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)中，變頻調(diào)速供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水品質(zhì)高等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵、電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實際為供水管網(wǎng)上的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，當(dāng)用水量發(fā)生變化時仍保持水壓恒定以滿足用水要求，是目前先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)，是企業(yè)降低能耗、節(jié)約成本的有效途徑，也是連續(xù)性流程工藝生產(chǎn)的重要保證。某大型煉化企業(yè)由于工藝生產(chǎn)的連續(xù)性和復(fù)雜性，裝置生產(chǎn)用水要求硬度低，水壓穩(wěn)定且不間斷，但由于受到環(huán)境的制約，水資源匱乏，水質(zhì)硬度較高，不能滿足生產(chǎn)用水要求。因此，該廠設(shè)置軟化水裝置，對水質(zhì)進行軟化處理，并設(shè)計應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，由AI智能調(diào)節(jié)器、智能繼電器、變頻器、多臺供水泵交替工頻/變頻自動切換運行，最終實現(xiàn)了恒壓供水、生產(chǎn)順暢、降低能耗的目的。

二、AI儀表選型

在本系統(tǒng)中儀表的作用是輸出信號調(diào)節(jié)變頻器頻率的大小，因為壓力是快速變化的物理量，對儀表的整體性能有很高的要求，所以選用宇電AI-808型人工智能調(diào)節(jié)器，具體型號為AI-808AI4X3L2L2。

AI智能調(diào)節(jié)器具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進控制算法。在誤差大時，運用模糊法進行調(diào)節(jié)，以消除PID飽和積分現(xiàn)象；當(dāng)誤差減小時，采用改進后的PID算法進行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果最優(yōu)化。其具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單，對復(fù)雜對象也能獲得較好控制效果等特點，其整體調(diào)節(jié)效果比一般的PID算法更明顯。

三、系統(tǒng)控制原理和工作過程

本系統(tǒng)采用1控3方式，即1臺變頻器控制3臺水泵。工作時，管道上的壓力由傳感器測量，并將壓力信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準電流信號，作為反饋信號輸入AI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過內(nèi)部PID調(diào)節(jié)處理后產(chǎn)生輸出信號到變頻器控制泵轉(zhuǎn)速，由智能繼電器執(zhí)行邏輯控制，保證供水壓力恒定。根據(jù)需要將該系統(tǒng)設(shè)計成三種運行狀態(tài)：手動開停工頻運行、變頻自動恒壓閉環(huán)運行、手動變頻運行。

（1）其他硬件介紹： LOGO！230RL為西門子通用邏輯控制模塊。它具有體積小、編程簡單、功能強大的特點。230RL可提供12點開關(guān)量輸入，8點繼電器輸出的端子接口。每個繼電器輸出端口的最大電流可達8A。LOGO！230RL模塊具有很強的邏輯控制和運算功能，這些功能以功能塊的方式應(yīng)用?；竟δ軌K有與門、或門、非門、與非、或非及異或門。同時還提供特殊功能塊，如接通延時、斷開延時、脈沖繼電器、時鐘脈沖發(fā)生器、加減計數(shù)器等。因此，它既可以作為PLC，又可以作為智能繼電器以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯繼電控制。

Simovert MasterDriver VC 變頻器是西門子新一代矢量控制變頻器，采用全數(shù)字技術(shù)控制，交流傳動采用IGBT電壓源變頻裝置，具有很高的變頻范圍。Simovert MasterDriver VC提供標(biāo)準功能，如手動/自動設(shè)定，自動重起動功能等。通過操作面板對系統(tǒng)不同級別的參數(shù)進行設(shè)置實現(xiàn)豐富的功能。變頻器面板還有手動電位器旋鈕，直接控制變頻器的輸出。該變頻器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場自動控制，使傳動系統(tǒng)的工作效率和可靠性得以提高。

（2） 控制原理：一般情況下水泵轉(zhuǎn)速按工頻運行時速設(shè)計，運行時供水量基本固定不變。根據(jù)水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式N=Kn3（其中N為水泵消耗功率，n為水泵運行時的轉(zhuǎn)速，K為比例系數(shù)），采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，連續(xù)改變電機的驅(qū)動電流頻率，可以平滑改變其轉(zhuǎn)速，從而達到改變水泵消耗功率的目的。實際生產(chǎn)中軟化水需求量隨裝置生產(chǎn)變化時，其管道上的水壓也隨之改變，可通過壓力傳感器測出實時變化量送入調(diào)節(jié)器作為壓力反饋信號，與工藝設(shè)定壓力信號進行比較后，經(jīng)調(diào)節(jié)器內(nèi)部PID計算調(diào)節(jié)輸出到變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)控制管網(wǎng)壓力恒定。

（3）工作過程

正常情況下，系統(tǒng)為主泵變頻閉環(huán)工作。當(dāng)供水壓力低于工藝設(shè)定值，且單臺泵無法滿足工作需要時，由LOGO！230RL自動起動輔助泵工頻運行，主泵仍變頻運行；若供水壓力高于工藝設(shè)定值，輔助泵變頻工作，主泵停止運行，以此達到閉環(huán)恒壓供水控制。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以自動停止運行該系統(tǒng)，同時投用備用工頻泵。其控制系統(tǒng)圖為：

圖中L為交流電抗器，P為壓力變送器，AI為調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)運行方式包括工頻手動運行和變頻運行兩種，其中工頻手動運行適用于變頻器檢修期，而變頻運行適用于正常工作狀態(tài)，兩種運行方式由切換開關(guān)SA1及LOGO！230RL控制。變頻運行方式的兩種工作狀態(tài)：

變頻自動恒壓閉環(huán)控制：將切換開關(guān)SA2置于“閉環(huán)”位置，系統(tǒng)控制變頻器循環(huán)啟停M2泵、M3泵，壓力變送器P將管道壓力轉(zhuǎn)化為標(biāo)準4～20mA電信號送至調(diào)節(jié)器，作為調(diào)節(jié)器壓力反饋信號與儀表的壓力設(shè)定值進行比較后，經(jīng)儀表PID運算輸出控制信號，控制水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以自動停止運行該系統(tǒng)，同時投用備用工頻泵M1。當(dāng)SA1置于“自動”，SA2置于“閉環(huán)”側(cè)時，系統(tǒng)處于變頻自動恒壓閉環(huán)控制運行。LOGO！230RL輸出端Q1輸出接通，中間繼電器KM4吸合，經(jīng)延時后LOGO！230RL 的Q8輸出接通，變頻器投入運行。此時M2泵在變頻器控制下維持恒壓閉環(huán)控制，系統(tǒng)在設(shè)定壓力下工作。當(dāng)單泵供水壓力不能滿足壓力要求，即壓力反饋信號持續(xù)低于設(shè)定值一段時間（由AI儀表下限報警給出信號，LOGO！230RL計時），LOGO！230RL自動將M3泵接通變頻器，此M3泵在儀表控制下進行閉環(huán)控制。如果M2泵在工頻，M3泵變頻同時工作一段時間后，如實際壓力超出設(shè)定壓力，M3泵持續(xù)降低轉(zhuǎn)速至控制下限仍無法達到設(shè)定值。則LOGO！230RL控制自動斷開M2泵工頻工作，由M3泵持續(xù)變頻工作。順序起停M2泵和M3泵在工頻和變頻運行狀態(tài)，從而閉環(huán)控制輸水壓力，保持供水恒壓。

變頻手動運行：系統(tǒng)還可以手動調(diào)節(jié)變頻器輸出。將SA2開關(guān)置于“開環(huán)”側(cè)，變頻器只控制M２，轉(zhuǎn)速由人工調(diào)節(jié)電位器進行調(diào)節(jié)，M3泵不投入運行。如變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，LOGO！230RL自動投運備用泵M1。

四、AI儀表的調(diào)試

AI儀表的控制效果直接影響整個系統(tǒng)的正常運行。在沒有經(jīng)驗控制參數(shù)的時候，為了達到最佳的控制效果，儀表要進行PID自整定，但一般的調(diào)節(jié)儀表在自整定時的調(diào)節(jié)狀態(tài)是位式控制，輸出量要么最大要么最小，在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)輸出大幅變化是不允許的。AI-808調(diào)節(jié)器具有手動自整定模式可以很好的解決這個問題，具體操作是：把儀表切換到手動輸出狀態(tài)，通過儀表的△ ▽鍵調(diào)整輸出量，使測量值盡量和設(shè)定值保持一致，然后在這個狀態(tài)下啟動自整定，這樣儀表的輸出值將限制在當(dāng)前手動輸出值的±10%范圍內(nèi)，從而避免出現(xiàn)輸出值的大幅變化。在多數(shù)情況下，自整定一次就可以使獲得滿意的控制效果。如果控制有偏差時，可以通過微調(diào)M5、P、T參數(shù)來修正。主要參數(shù)設(shè)置：HIAL：上限報警。LOAL：下限報警。Df：回差（死區(qū)、滯環(huán)），用于避免因測量輸入值波動而產(chǎn)生報警頻繁動作。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)，Ctrl設(shè)置為4。M5：保持參數(shù)，主要決定調(diào)節(jié)算法中的積分作用，和PID積分時間類似，M5越小，系統(tǒng)積分作用越強。M5=0時取消積分和AI人工智調(diào)節(jié)，成為PD調(diào)節(jié)器，經(jīng)驗參數(shù)為4。P：速率參數(shù)，與每秒內(nèi)儀表輸出變化100%時測量值時應(yīng)變化大小成正比，P=1000/每秒測量值的升高單位值（系統(tǒng)以0.1定義為一個單位），經(jīng)驗參數(shù)為5。T：滯后時間，t越小，則比例和積分作用均成正比增強，而微分作用相對減弱，但整體反饋作用增強：反之，t越大，則比例和積分作用均減弱，而微分作用相對增強經(jīng)驗參數(shù)為1。Ctl：輸出周期，反映儀表運算調(diào)節(jié)的快慢。Sn：輸入反饋信號類型。OPT：輸出方式，設(shè)置為4。CF：系統(tǒng)功能選擇，可以選擇系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方向。

五、結(jié)語

該系統(tǒng)安全可靠，高質(zhì)量地保障了軟化水的平穩(wěn)供給，同時大大減少了用電量，達到了預(yù)期的目的。正常時只需兩臺泵交替變頻運行，從而改變了以前三臺供水泵同時運行的現(xiàn)象，直接的經(jīng)濟效益可觀。