AI仪表控制原理和工作过程及在软化水装置中的应用

一、概述

随着现代电力控制技术的发展，以变频调速为代表的应用技术日趋成熟和普及。在现代企业的生产中，变频调速供水技术以其节能、安全、供水品质高等优点，得到了广泛的应用。变频调速恒压供水系统可以实现水泵、电动机无级调速，依据用水量的变化（实际为供水管网上的压力变化）自动调节系统的运行参数，当用水量发生变化时仍保持水压恒定以满足用水要求，是目前先进、合理的节能型供水系统，是企业降低能耗、节约成本的有效途径，也是连续性流程工艺生产的重要保证。某大型炼化企业由于工艺生产的连续性和复杂性，装置生产用水要求硬度低，水压稳定且不间断，但由于受到环境的制约，水资源匮乏，水质硬度较高，不能满足生产用水要求。因此，该厂设置软化水装置，对水质进行软化处理，并设计应用变频调速技术，由AI智能调节器、智能继电器、变频器、多台供水泵交替工频/变频自动切换运行，最终实现了恒压供水、生产顺畅、降低能耗的目的。

二、AI仪表选型

在本系统中仪表的作用是输出信号调节变频器频率的大小，因为压力是快速变化的物理量，对仪表的整体性能有很高的要求，所以选用宇电AI-808型人工智能调节器，具体型号为AI-808AI4X3L2L2。

AI智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时，运用模糊法进行调节，以消除PID饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点，其整体调节效果比一般的PID算法更明显。

三、系统控制原理和工作过程

本系统采用1控3方式，即1台变频器控制3台水泵。工作时，管道上的压力由传感器测量，并将压力信号转换成标准电流信号，作为反馈信号输入AI调节器，经过内部PID调节处理后产生输出信号到变频器控制泵转速，由智能继电器执行逻辑控制，保证供水压力恒定。根据需要将该系统设计成三种运行状态：手动开停工频运行、变频自动恒压闭环运行、手动变频运行。

（1）其他硬件介绍： LOGO！230RL为西门子通用逻辑控制模块。它具有体积小、编程简单、功能强大的特点。230RL可提供12点开关量输入，8点继电器输出的端子接口。每个继电器输出端口的最大电流可达8A。LOGO！230RL模块具有很强的逻辑控制和运算功能，这些功能以功能块的方式应用。基本功能块有与门、或门、非门、与非、或非及异或门。同时还提供特殊功能块，如接通延时、断开延时、脉冲继电器、时钟脉冲发生器、加减计数器等。因此，它既可以作为PLC，又可以作为智能继电器以实现复杂的逻辑继电控制。

Simovert MasterDriver VC 变频器是西门子新一代矢量控制变频器，采用全数字技术控制，交流传动采用IGBT电压源变频装置，具有很高的变频范围。Simovert MasterDriver VC提供标准功能，如手动/自动设定，自动重起动功能等。通过操作面板对系统不同级别的参数进行设置实现丰富的功能。变频器面板还有手动电位器旋钮，直接控制变频器的输出。该变频器被广泛应用于现场自动控制，使传动系统的工作效率和可靠性得以提高。

（2） 控制原理：一般情况下水泵转速按工频运行时速设计，运行时供水量基本固定不变。根据水泵消耗功率与转速的关系式N=Kn3（其中N为水泵消耗功率，n为水泵运行时的转速，K为比例系数），采用恒转矩调速方式，连续改变电机的驱动电流频率，可以平滑改变其转速，从而达到改变水泵消耗功率的目的。实际生产中软化水需求量随装置生产变化时，其管道上的水压也随之改变，可通过压力传感器测出实时变化量送入调节器作为压力反馈信号，与工艺设定压力信号进行比较后，经调节器内部PID计算调节输出到变频器控制水泵转速，实现闭环控制管网压力恒定。

（3）工作过程

正常情况下，系统为主泵变频闭环工作。当供水压力低于工艺设定值，且单台泵无法满足工作需要时，由LOGO！230RL自动起动辅助泵工频运行，主泵仍变频运行；若供水压力高于工艺设定值，辅助泵变频工作，主泵停止运行，以此达到闭环恒压供水控制。当变频系统出现故障时，可以自动停止运行该系统，同时投用备用工频泵。其控制系统图为：

图中L为交流电抗器，P为压力变送器，AI为调节器。系统运行方式包括工频手动运行和变频运行两种，其中工频手动运行适用于变频器检修期，而变频运行适用于正常工作状态，两种运行方式由切换开关SA1及LOGO！230RL控制。变频运行方式的两种工作状态：

变频自动恒压闭环控制：将切换开关SA2置于“闭环”位置，系统控制变频器循环启停M2泵、M3泵，压力变送器P将管道压力转化为标准4～20mA电信号送至调节器，作为调节器压力反馈信号与仪表的压力设定值进行比较后，经仪表PID运算输出控制信号，控制水泵转速。当变频系统出现故障时，可以自动停止运行该系统，同时投用备用工频泵M1。当SA1置于“自动”，SA2置于“闭环”侧时，系统处于变频自动恒压闭环控制运行。LOGO！230RL输出端Q1输出接通，中间继电器KM4吸合，经延时后LOGO！230RL 的Q8输出接通，变频器投入运行。此时M2泵在变频器控制下维持恒压闭环控制，系统在设定压力下工作。当单泵供水压力不能满足压力要求，即压力反馈信号持续低于设定值一段时间（由AI仪表下限报警给出信号，LOGO！230RL计时），LOGO！230RL自动将M3泵接通变频器，此M3泵在仪表控制下进行闭环控制。如果M2泵在工频，M3泵变频同时工作一段时间后，如实际压力超出设定压力，M3泵持续降低转速至控制下限仍无法达到设定值。则LOGO！230RL控制自动断开M2泵工频工作，由M3泵持续变频工作。顺序起停M2泵和M3泵在工频和变频运行状态，从而闭环控制输水压力，保持供水恒压。

变频手动运行：系统还可以手动调节变频器输出。将SA2开关置于“开环”侧，变频器只控制M２，转速由人工调节电位器进行调节，M3泵不投入运行。如变频系统出现故障后，LOGO！230RL自动投运备用泵M1。

四、AI仪表的调试

AI仪表的控制效果直接影响整个系统的正常运行。在没有经验控制参数的时候，为了达到最佳的控制效果，仪表要进行PID自整定，但一般的调节仪表在自整定时的调节状态是位式控制，输出量要么最大要么最小，在本系统中调节输出大幅变化是不允许的。AI-808调节器具有手动自整定模式可以很好的解决这个问题，具体操作是：把仪表切换到手动输出状态，通过仪表的△ ▽键调整输出量，使测量值尽量和设定值保持一致，然后在这个状态下启动自整定，这样仪表的输出值将限制在当前手动输出值的±10%范围内，从而避免出现输出值的大幅变化。在多数情况下，自整定一次就可以使获得满意的控制效果。如果控制有偏差时，可以通过微调M5、P、T参数来修正。主要参数设置：HIAL：上限报警。LOAL：下限报警。Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生报警频繁动作。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl设置为4。M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节，成为PD调节器，经验参数为4。P：速率参数，与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位），经验参数为5。T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强经验参数为1。Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢。Sn：输入反馈信号类型。OPT：输出方式，设置为4。CF：系统功能选择，可以选择系统的调节方向。

五、结语

该系统安全可靠，高质量地保障了软化水的平稳供给，同时大大减少了用电量，达到了预期的目的。正常时只需两台泵交替变频运行，从而改变了以前三台供水泵同时运行的现象，直接的经济效益可观。