解决变频恒压供水压力波动的技术应用

孙美林

(山西省阳泉固庄煤矿,山西 阳泉 045000)

随着煤矿洗煤工艺的改进,传统的水泵全频满负荷运行并通过水泵出口阀门调节用水量的供水方式已不能满足连续稳压供水要求,而采用变频器+PID调节器的恒压控制方式在实际运行中,仍存在由于系统压力波动造成系统超压或欠压,本文所述的就是如何通过设施改进和PID调试,保证供水系统的节能、实时、稳定。

1　供水系统简介及现状分析

1.1　供水系统简介

为了满足洗煤厂不间断稳压用水,某矿供水管网投入一套变频自动恒压供水设备(见图1)。系统通过PID调节仪将设定水泵出口压力信号(0.55 MPa)与实际水泵出口压力信号进行比较,同时将输出信号给予变频器,来实现变频器控制的水泵电机变频运行,使水泵出口压力恒定维持在0.55 MPa±0.01 MPa,保证系统在不受用水量变化的影响下,实现不间断恒压供水。

图1　变频自动恒压供水系统图Fig.1　Frequency-conversion and automatic constant-pressure water supplying system

1.2　现状分析

在水泵恒压供水运行过程中,短时间内用水量突减,会造成瞬时水泵出口压力高出其稳定运行压力,若压力值超出水泵、管道及用水设备压力承受范围,就会对其造成不可逆转的破坏。因此为了确保系统安全运行,设定水泵出口压力超出0.65 MPa后,自动停泵。在某矿恒压供水系统中,水泵出口压力频繁超出0.65 MPa,最高值达到0.70 MPa(时间1 s～2 s),最低值降到0.45 MPa,压力波动范围大,波动时间长,运行中多次无规律自动停泵,不能正常供水。

2　供水系统压力波动原因

变频自动恒压供水系统的稳定性和实时性是系统运行的两项基本要求,实时性指的是随着用水量的变化,系统能及时自动调整运行频率保证出口压力恒定,稳定性指的是随着用水量的变化,系统压力不会发生太大的波动,使水泵出口压力维持在一个固定值范围。某矿供水系统出现自动停泵,则是系统稳定性差造成系统超压所致。经过多次认真分析研判,判断造成水泵出口压力超出高限压力值的主要原因是远传压力表反馈回的信号失真、PID调节仪参数调节不合理。

3　实施方案

解决系统超压停泵的问题,应从设施改进和PID调试两个方面着手。

3.1　设施改进

3.1.1更换远传压力表为压力传感器

某矿原恒压供水系统选用的是YTZ-150型远传压力表,其传送的信号是电阻信号,优点是不需进行信号转换就可直接显示压力数据,缺点是传送信号精度不高,加之水泵出口管路有轻微震动,因此传到PID显示调节仪的信号易受到干扰,出现失真现象。

压力传感器是把压力信号转换为电流信号,一般不直接显示压力,可以通过电流信号传送到PID显示调节仪上,优点是信号传送精度高,不易受干扰。

鉴于以上原因,将远传压力表更换为TJP-2型压力传感器。测量仪表更换后,系统超压的频次有所降低,但自动停泵的时间由无规律转为用水高峰期。

3.1.2控制回路加入时间继电器

经观察PID显示仪,超压故障发生到解除,仅有1 s～2 s时间,短时间内超出高限压力值,造成故障停泵。鉴于超压时间短,在控制回路加入时间继电器延时断开接触器(见图2),实现短时间内系统超压不停泵。

图2　加入时间继电器的控制回路图Fig.2　Control loop diagram with time relay

在改造后的控制回路中,设定时间继电器延时5 s,即若超压时间在5 s范围内,时间继电器控制的水泵接触器不会动作,水泵不会停机,若超压时间超出5 s,则水泵自动停机。

在运行过程中时间继电器不可能长时间地延缓超压停机,要想解决实质性系统超压问题,还需通过PID参数的调整来实现。

3.2　PID调试

在水泵恒压供水过程中,用水时间、用水量不是特别明确,因此PID就需要采用闭环控制策略,而PID参数的合理确定直接决定了系统运行的稳定性和实时性。PID参数的调整没有固定的模式,只能通过现场实验的方式,并遵循先比例(P)、后积分(I)、再微分(D),从小到大的原则进行调试。

3.2.1P值调试

P值调试即比例控制,由于控制器的输出与输入误差信号成比例关系,且仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。因此P值的调试安排在用水量相对小、动态干扰小的时间段(10:00 pm),尽量减少动态误差。通过从小到大设定不同的P值,观察水泵出口压力变化情况, 如表1所示。

表1　P值调试情况记录表Table 1　Debugging of P-value

经过调整P值观察水泵出口压力,发现增大比例系数P将加快系统的响应,减少波动次数,降低波动时间,实时性加强,但是过大的P值会使系统有比较大的超调,实际运行压力达到0.75 MPa,严重超出设定的目标值0.55 MPa,使系统产生比较大的振荡,稳定性遭到破坏,导致超压停泵。减小比例系数P值会使系统压力波动频繁,响应时间长,最长达到30 s,不能满足用水负荷变化压力及时跟踪的要求。通过反复调试,初步设定当P值为50%时,水泵出口压力(0.58 MPa～0.52 MPa)相对于目标值0.55 MPa稳定,是较为理想的参数值,但仍存在静态误差,即相对于0.55 MPa有偏差,且压力波动时间较长,在这种情况下,需加入积分控制。

3.2.2I值调试

I值调试即积分控制,其控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系,即积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大,误差会越来越小,直到全部消除。在P值为50%的前提下从小到大设定不同的I值,观察水泵出口压力变化情况,如表2所示。

表2　I值调试情况记录表Table 2　Debugging of I-value

经过调整I值观察水泵出口压力,发现增大积分时间I有利于减小系统静态误差,使系统的稳定性增加,通过反复调试,初步设定当I值为5 s时,水泵出口压力(0.56 MPa～0.54 MPa)相对于目标值0.55 MPa稳定,是较为理想的参数值。但是系统压力波动时间长达30 s,仍未达到稳压控制实时性的要求,在这种情况下,需加入微分控制。

3.2.3D值调试

D值调试即微分控制,其控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系,即在克服误差的调节过程中能预测误差变化的趋势,使抑制误差作用的变化“超前”,避免系统出现振荡甚至失稳。因此,当用水负荷发生动态变化,必须加入微分控制。在P值为50%、I值为5 s的前提下,选在用水高峰期设定不同的D值,观察水泵出口压力变化情况,如表3所示。

表3　D值调试情况记录表Table 3　Debugging of D-value

经过调整D值,观察水泵出口压力,增大微分时间D有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但微分时间过长,会造成系统对扰动的抑制能力减弱。通过反复调试,初步设定当D值为15 s 时,波动时间为3 s,水泵出口压力(0.56 MPa～0.54 MPa)相对于目标值0.55 MPa稳定,达到了恒压供水系统稳定性、实时性的要求。

3.2.4PID调试小结

通过多次调试,最终确定P值为50%、I值为5 s、D值为15 s时,水泵出口压力(0.56 MPa～0.54 MPa)相对于目标值0.55 MPa运行稳定,系统反应快、超调小,是较为理想的参数。既避免了系统超压停泵,又保证了用户恒压正常用水。

在利用PID进行系统调节控制中,P值是解决幅值震荡的,增大比例系数P将加快系统的响应;I值是消除静态误差的,增大积分时间I有利于消除静态误差,使系统的稳定性增加;D值是解决动作响应的速度快慢的,增大微分时间D有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加。

4　结束语

变频恒压供水设备,不受用水量变化和用水时间的影响,很好地实现了连续稳压供水;控制系统配套的测量仪表改用了精准度更高的压力传感器,解决了使用远传压力表信号失真的问题;在PID调试过程中,必须遵循调试原则,严密观察压力变化情况,反复调试,获取合理的PID参数。