孫美林

(山西省陽泉固莊煤礦,山西 陽泉 045000)

隨著煤礦洗煤工藝的改進,傳統(tǒng)的水泵全頻滿負荷運行并通過水泵出口閥門調(diào)節(jié)用水量的供水方式已不能滿足連續(xù)穩(wěn)壓供水要求,而采用變頻器+PID調(diào)節(jié)器的恒壓控制方式在實際運行中,仍存在由于系統(tǒng)壓力波動造成系統(tǒng)超壓或欠壓,本文所述的就是如何通過設施改進和PID調(diào)試,保證供水系統(tǒng)的節(jié)能、實時、穩(wěn)定。

1　供水系統(tǒng)簡介及現(xiàn)狀分析

1.1　供水系統(tǒng)簡介

為了滿足洗煤廠不間斷穩(wěn)壓用水,某礦供水管網(wǎng)投入一套變頻自動恒壓供水設備(見圖1)。系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)儀將設定水泵出口壓力信號(0.55 MPa)與實際水泵出口壓力信號進行比較,同時將輸出信號給予變頻器,來實現(xiàn)變頻器控制的水泵電機變頻運行,使水泵出口壓力恒定維持在0.55 MPa±0.01 MPa,保證系統(tǒng)在不受用水量變化的影響下,實現(xiàn)不間斷恒壓供水。

圖1　變頻自動恒壓供水系統(tǒng)圖Fig.1　Frequency-conversion and automatic constant-pressure water supplying system

1.2　現(xiàn)狀分析

在水泵恒壓供水運行過程中,短時間內(nèi)用水量突減,會造成瞬時水泵出口壓力高出其穩(wěn)定運行壓力,若壓力值超出水泵、管道及用水設備壓力承受范圍,就會對其造成不可逆轉的破壞。因此為了確保系統(tǒng)安全運行,設定水泵出口壓力超出0.65 MPa后,自動停泵。在某礦恒壓供水系統(tǒng)中,水泵出口壓力頻繁超出0.65 MPa,最高值達到0.70 MPa(時間1 s～2 s),最低值降到0.45 MPa,壓力波動范圍大,波動時間長,運行中多次無規(guī)律自動停泵,不能正常供水。

2　供水系統(tǒng)壓力波動原因

變頻自動恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性是系統(tǒng)運行的兩項基本要求,實時性指的是隨著用水量的變化,系統(tǒng)能及時自動調(diào)整運行頻率保證出口壓力恒定,穩(wěn)定性指的是隨著用水量的變化,系統(tǒng)壓力不會發(fā)生太大的波動,使水泵出口壓力維持在一個固定值范圍。某礦供水系統(tǒng)出現(xiàn)自動停泵,則是系統(tǒng)穩(wěn)定性差造成系統(tǒng)超壓所致。經(jīng)過多次認真分析研判,判斷造成水泵出口壓力超出高限壓力值的主要原因是遠傳壓力表反饋回的信號失真、PID調(diào)節(jié)儀參數(shù)調(diào)節(jié)不合理。

3　實施方案

解決系統(tǒng)超壓停泵的問題,應從設施改進和PID調(diào)試兩個方面著手。

3.1　設施改進

3.1.1更換遠傳壓力表為壓力傳感器

某礦原恒壓供水系統(tǒng)選用的是YTZ-150型遠傳壓力表,其傳送的信號是電阻信號,優(yōu)點是不需進行信號轉換就可直接顯示壓力數(shù)據(jù),缺點是傳送信號精度不高,加之水泵出口管路有輕微震動,因此傳到PID顯示調(diào)節(jié)儀的信號易受到干擾,出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

壓力傳感器是把壓力信號轉換為電流信號,一般不直接顯示壓力,可以通過電流信號傳送到PID顯示調(diào)節(jié)儀上,優(yōu)點是信號傳送精度高,不易受干擾。

鑒于以上原因,將遠傳壓力表更換為TJP-2型壓力傳感器。測量儀表更換后,系統(tǒng)超壓的頻次有所降低,但自動停泵的時間由無規(guī)律轉為用水高峰期。

3.1.2控制回路加入時間繼電器

經(jīng)觀察PID顯示儀,超壓故障發(fā)生到解除,僅有1 s～2 s時間,短時間內(nèi)超出高限壓力值,造成故障停泵。鑒于超壓時間短,在控制回路加入時間繼電器延時斷開接觸器(見圖2),實現(xiàn)短時間內(nèi)系統(tǒng)超壓不停泵。

圖2　加入時間繼電器的控制回路圖Fig.2　Control loop diagram with time relay

在改造后的控制回路中,設定時間繼電器延時5 s,即若超壓時間在5 s范圍內(nèi),時間繼電器控制的水泵接觸器不會動作,水泵不會停機,若超壓時間超出5 s,則水泵自動停機。

在運行過程中時間繼電器不可能長時間地延緩超壓停機,要想解決實質(zhì)性系統(tǒng)超壓問題,還需通過PID參數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)。

3.2　PID調(diào)試

在水泵恒壓供水過程中,用水時間、用水量不是特別明確,因此PID就需要采用閉環(huán)控制策略,而PID參數(shù)的合理確定直接決定了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和實時性。PID參數(shù)的調(diào)整沒有固定的模式,只能通過現(xiàn)場實驗的方式,并遵循先比例(P)、后積分(I)、再微分(D),從小到大的原則進行調(diào)試。

3.2.1P值調(diào)試

P值調(diào)試即比例控制,由于控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系,且僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此P值的調(diào)試安排在用水量相對小、動態(tài)干擾小的時間段(10:00 pm),盡量減少動態(tài)誤差。通過從小到大設定不同的P值,觀察水泵出口壓力變化情況, 如表1所示。

表1　P值調(diào)試情況記錄表Table 1　Debugging of P-value

經(jīng)過調(diào)整P值觀察水泵出口壓力,發(fā)現(xiàn)增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應,減少波動次數(shù),降低波動時間,實時性加強,但是過大的P值會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào),實際運行壓力達到0.75 MPa,嚴重超出設定的目標值0.55 MPa,使系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的振蕩,穩(wěn)定性遭到破壞,導致超壓停泵。減小比例系數(shù)P值會使系統(tǒng)壓力波動頻繁,響應時間長,最長達到30 s,不能滿足用水負荷變化壓力及時跟蹤的要求。通過反復調(diào)試,初步設定當P值為50%時,水泵出口壓力(0.58 MPa～0.52 MPa)相對于目標值0.55 MPa穩(wěn)定,是較為理想的參數(shù)值,但仍存在靜態(tài)誤差,即相對于0.55 MPa有偏差,且壓力波動時間較長,在這種情況下,需加入積分控制。

3.2.2I值調(diào)試

I值調(diào)試即積分控制,其控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系,即積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大,誤差會越來越小,直到全部消除。在P值為50%的前提下從小到大設定不同的I值,觀察水泵出口壓力變化情況,如表2所示。

表2　I值調(diào)試情況記錄表Table 2　Debugging of I-value

經(jīng)過調(diào)整I值觀察水泵出口壓力,發(fā)現(xiàn)增大積分時間I有利于減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加,通過反復調(diào)試,初步設定當I值為5 s時,水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對于目標值0.55 MPa穩(wěn)定,是較為理想的參數(shù)值。但是系統(tǒng)壓力波動時間長達30 s,仍未達到穩(wěn)壓控制實時性的要求,在這種情況下,需加入微分控制。

3.2.3D值調(diào)試

D值調(diào)試即微分控制,其控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系,即在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中能預測誤差變化的趨勢,使抑制誤差作用的變化“超前”,避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此,當用水負荷發(fā)生動態(tài)變化,必須加入微分控制。在P值為50%、I值為5 s的前提下,選在用水高峰期設定不同的D值,觀察水泵出口壓力變化情況,如表3所示。

表3　D值調(diào)試情況記錄表Table 3　Debugging of D-value

經(jīng)過調(diào)整D值,觀察水泵出口壓力,增大微分時間D有利于加快系統(tǒng)的響應速度,使系統(tǒng)超調(diào)量減小,穩(wěn)定性增加,但微分時間過長,會造成系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。通過反復調(diào)試,初步設定當D值為15 s 時,波動時間為3 s,水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對于目標值0.55 MPa穩(wěn)定,達到了恒壓供水系統(tǒng)穩(wěn)定性、實時性的要求。

3.2.4PID調(diào)試小結

通過多次調(diào)試,最終確定P值為50%、I值為5 s、D值為15 s時,水泵出口壓力(0.56 MPa～0.54 MPa)相對于目標值0.55 MPa運行穩(wěn)定,系統(tǒng)反應快、超調(diào)小,是較為理想的參數(shù)。既避免了系統(tǒng)超壓停泵,又保證了用戶恒壓正常用水。

在利用PID進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制中,P值是解決幅值震蕩的,增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應;I值是消除靜態(tài)誤差的,增大積分時間I有利于消除靜態(tài)誤差,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加;D值是解決動作響應的速度快慢的,增大微分時間D有利于加快系統(tǒng)的響應速度,使系統(tǒng)超調(diào)量減小,穩(wěn)定性增加。

4　結束語

變頻恒壓供水設備,不受用水量變化和用水時間的影響,很好地實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)壓供水;控制系統(tǒng)配套的測量儀表改用了精準度更高的壓力傳感器,解決了使用遠傳壓力表信號失真的問題;在PID調(diào)試過程中,必須遵循調(diào)試原則,嚴密觀察壓力變化情況,反復調(diào)試,獲取合理的PID參數(shù)。