變頻器在供水行業(yè)的閉環(huán)控制應用

一、概述

變頻器在恒壓供水行業(yè)的閉環(huán)控制應用，就是我們簡稱的恒壓供水控制，恒壓供水的控制原理就是變頻器拖動水泵轉(zhuǎn)動，控制水泵的轉(zhuǎn)速，改變水泵的壓力，在水泵的出水口加裝壓力傳感器，壓力傳感器反饋壓力至變頻器，實現(xiàn)在用水量大、管網(wǎng)壓力減小的時候，變頻器提高輸出頻率驅(qū)動水泵電機高速運行；在用水量小的時候，變頻器減小輸出頻率使水泵電機低速運行，實現(xiàn)動態(tài)過程中的管網(wǎng)壓力恒定。對比傳統(tǒng)的控制模式，采用變頻恒壓供水在實現(xiàn)節(jié)能的同時提高了供水的質(zhì)量。該控制系統(tǒng)中主要有三大元素：水泵，壓力傳感器，變頻器（內(nèi)含PID調(diào)節(jié)器），我們對這個三個要素簡單介紹以后，再進行詳細介紹恒壓供水相關原理、接線、參數(shù)設置等。

二、恒壓供水環(huán)節(jié)核心部件介紹

1）水泵：水泵是輸送液體或使液體增壓的機械裝置。它將動力裝置的機械能傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括水、油以及其他液體等等。

2）壓力反饋裝置介紹：變頻恒壓供水常見用來做壓力反饋的是遠傳壓力表與壓力變送器。遠傳壓力表主要由一個普通彈簧管壓力表和一組滑線電阻式發(fā)送器等組成，當被測的水壓發(fā)生壓力變化時，彈簧管管端產(chǎn)生位移，該位移通過傳動機構使指針在度盤上指示相應的壓力值。

? 為了保證彈性元件能在彈性變形的安全范圍穩(wěn)定的工作，在選擇壓力表時必須根據(jù)被測壓力的大小選擇合適量程的壓力表，壓力表的上限值要高于生產(chǎn)中可能的最大壓力值，同時根據(jù)相關規(guī)定最大工作壓力不超過測量上限值的2/3，被測量的最小值不低于壓力表量程的1/3，從而保證壓力表的輸出量與輸入量之間良好的線性關系，提高壓力表測量結果的精確度和靈敏度。

? 壓力表的主要技術指標：

產(chǎn)品名稱：       遠傳壓力表

產(chǎn)品型號：       YTZ-150

公稱直徑（mm）： φ150

精確度等級:        1.6

起始阻值:   大約3-20歐左右

滑動變阻器電阻值:340-400歐左右

量程主要為1Mpa 、1.6Mpa、2.5Mpa。

工作電壓：小于等于6V

?因為遠傳壓力表工作電壓小于6V，變頻器控制端子模擬量的供電電壓為+10V，所以需要在串聯(lián)一個電阻進行分壓確保壓力表正常工作。另外，在使用變頻器所提供的電源時需要避免負載電流超出電源的最大允許輸出電流（GT200變頻器+10V最大允許輸出電流為50mA；+24V最大允許輸出電流為200mA）。

3）壓力變送器是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成對應的電壓（0-5V、0-10V）、電流信號（4-20mA）輸出。常用的壓力傳感器供電范圍9-36V，12-36V，24V等等，壓力傳感器的接線一般有兩線制、三線制、四線制，其中兩線制在實際的應用中最多。兩線制壓力變送器的輸出線一根接在電源的正極，另一根作為信號輸入線接入變頻器所能夠識別電流輸入信號的端口（GT200系列的AI1、AI2端口）。

4）壓力表管道安裝注意事項：管網(wǎng)壓力檢測裝置（遠傳壓力表、壓力變送器）要裝在止回閥的前面（如下圖所示），這樣做的主要好處此處的壓力比較穩(wěn)定，渦流現(xiàn)象少，振動小，能準確的檢測水泵的壓力即使泵出水閥關掉也能顯示主管網(wǎng)的真實壓力；如果裝在止回閥后面，由于止回閥有一定的壓力損失，會導致水泵出口壓力檢測不準確；同時，更嚴重的是在水泵停機的時候，無法獲知水泵的出口的管網(wǎng)壓力。

5）信號線走線注意事項：

?遠傳壓力表與壓力變送器的信號線盡量選用屏蔽信號線，最好是具有屏蔽層的雙絞線。信號線的屏蔽層需要在變頻器端接地，可通過變頻器端的金屬線夾實現(xiàn)接地連接。信號線盡量貼近地面或者金屬平面走線。

? 由于電磁感應噪聲，靜電感應噪聲，噪聲在信號線中傳播導致設備發(fā)生誤動作；信號線避免和動力線平行走線并且盡量遠離變頻器的輸入、輸出線。如果信號線不可避免同動力電纜交叉，建議以垂直方式交叉。

? 假如信號線與動力線未使用屏蔽電纜，可分別將信號線和動力電纜套入金屬管內(nèi)并接地，金屬管的間距大于20CM也可獲得較好的抗干擾效果。

三、恒壓供水接線以及參數(shù)設置

1）壓力表接線以及相關參數(shù)設置

圖1是易驅(qū)GT200系列變頻器與電阻式遠傳壓力表的接法，常見的遠傳壓力表有紅、黃、藍（綠）三根引線，紅線接變頻器控制板接線端子GND，黃線接AI1，藍（綠）線串聯(lián)電阻進行分壓推薦阻值330-470Ω（盡量接近壓力表內(nèi)阻，2W以上）接+10V。

現(xiàn)場應用參數(shù)設置舉例，壓力表量程1MPa,現(xiàn)場需求3.5公斤壓力（0.35MPa）

遠傳壓力表量程X MPa，阻值400Ω，起始阻值20Ω，串聯(lián)電阻500Ω（2只1000Ω并聯(lián)）現(xiàn)場接線如上圖所示，采用變頻器+10V供電，則反饋信號同管網(wǎng)壓力的對應關系為：

Y=10*(20+(P/X)*(400-20))/(400+500),如果我們使用的壓力表量程1MPa，那么關系式為：

Y=10*(20+(P/1)*(400-20))/(400+500)其中P的單位為MPa。

由以上對應關系，可以將給定量同反饋值的對應關系在下列參數(shù)中予以明確：

遠傳壓力表量程X MPa，阻值340Ω，起始阻值3Ω，串聯(lián)電阻330Ω，現(xiàn)場接線如上圖所示，采用變頻器+10V供電，則反饋信號同管網(wǎng)壓力的對應關系為：Y=10*(3+(P/X)*(340-3))/(340+330)如果我們使用的壓力表量程1.6MPa，那么關系式為：

Y=10*(3+(P/1.6)*(340-3))/(340+330)其中P的單位為MPa。

由以上對應關系，可以將給定量同反饋值的對應關系在下列參數(shù)中予以明確：

圖3是易驅(qū)GT200系列變頻器，使用兩線制壓力傳感器的接線，一根線接在變頻器的24V自帶電源，另一根線接在變頻器的模擬量輸入端AI2口，同時短接變頻器的GND與COM端子。

現(xiàn)場應用參數(shù)設置舉例，壓力傳感器1MPa,現(xiàn)場需求3.5公斤壓力（0.35 MPa）

假設壓力傳感器量程為X MPa，輸出4～20mA信號，目標壓力為 P MPa，F(xiàn)8.05設置為Y，現(xiàn)場接線如上圖所示，采用變頻器+24V供電，則反饋信號同管網(wǎng)壓力的對應關系為：

I反饋值=P/X*16+4。 

?壓力表量程為1.0MPa，則關系式為：I反饋值=P/1*16+4。

?壓力表量程為1.6MPa，則關系式為：I反饋值=P/1.6*16+4。

?根據(jù)10V—20mA的對應關系，則Y=I反饋值/2。

由以上對應關系，可以將給定量同反饋值的對應關系在下列參數(shù)中予以明確：

四、論述恒壓供水的整個過程

恒壓供水應用中注意設定通道與反饋通道，兩者不能一樣。

變頻器上電以后，通過端子啟動機器（DI1與COM閉合），機器頻率根據(jù)目前的實際壓力情況進行增加，如果當前實際壓力距離目標壓力比較遠，那么機器頻率快速增加到50Hz；如果機器管網(wǎng)目前壓力跟實際壓力比較接近，機器頻率緩慢增加，維持管網(wǎng)壓力的恒定。

恒壓供水調(diào)節(jié)，就是俗稱的PID調(diào)節(jié)，其中重要的三要素：P--比例增益，I—積分時間，D—微分時間。比例增益P是決定運行偏差的響應情況要素。如果提高增益，則響應變快，但如果過度，則容易發(fā)生振動。I作為參數(shù)表示積分時間，如果增大積分時間，則響應緩慢。此外，對應外力的反映也弱。如果減少積分時間，則響應快，但如果過小，則對于外力的變化，變頻器的輸出會產(chǎn)生振動。D運行所決定的效果大小是作為參數(shù)表示微分時間。如果加大微分時間，則在產(chǎn)生偏差時會迅速衰減P運行所造成的振動。如果增加過大，則有時造成振動增大。如果減小微分時間，則產(chǎn)生偏差時的時間作用減小。

管網(wǎng)實際壓力高于睡眠閾值以后，頻率下降，當頻率下降至下限頻率F1.10，經(jīng)過經(jīng)過睡眠延遲時間，如果機器壓力還高于睡眠閾值，機器休眠（即零轉(zhuǎn)速運行中），蘇醒就是實際壓力低于蘇醒閾值以后，經(jīng)過蘇醒延遲時間，如果壓力還低于蘇醒閾值，機器加速啟動。

PI控制：僅用P運行消除剩余的偏差，一般采用加I運行的PI控制。這種PI控制，即使有目標值變更和超常的紊亂，也總能將偏差處理為最小化。但是，如果將I運行的積分時間延長，則對于變化的速度控制就會反應緩慢。積分要素的比例非常大的負載，也可以單獨使用P運行。

F8.12比例增益Kp、F8.13積分增益Ki，F(xiàn)8.43微分增益KD，這些參數(shù)就是PID里面的調(diào)節(jié)參數(shù)，在具體的分析PID前，舉一個生活中的例子，恒壓供水的目標就是給一個水缸里面倒?jié)M水，P就相當于一個大桶，I就相當于一個小桶，如果把這個水缸的水倒?jié)M需要3.5大桶（這里我們定義只能一桶一桶的倒水，并且水缸不能溢水），那么我們通過大桶就不可能把水缸里面的水倒?jié)M，因為我們倒三桶水不夠，倒四桶水就溢出來了，這就相當于恒壓供水里面的震蕩，我們只能倒三大桶，再倒若干小桶，水缸才能倒?jié)M，通過這個例子，我們理解當出現(xiàn)水壓不穩(wěn)定，管網(wǎng)壓力波動大的時候，需要降低機器的比例增益Kp，但是降低Kp一般可以使系統(tǒng)波動比較小，就像水缸通過大桶不能完全倒?jié)M一樣，并不能完全消除波動，通過積分增益Ki的配合，就像小桶倒水一樣，可以使管網(wǎng)的壓力達到平衡，比例增益的調(diào)節(jié)主要是快速的調(diào)節(jié)，積分增益的調(diào)節(jié)主要是緩慢的調(diào)節(jié)。

五、現(xiàn)場應用圖片

圖1

圖2

圖3