基于變頻器控制的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

池保忠

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常熟分院，常熟 215500）

隨著社會經(jīng)濟的繁榮發(fā)展，人類生活水平逐漸提高，工廠設(shè)備更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的水塔水箱供水方式和管道直供已經(jīng)無法及時處理許多實際問題，如建筑物的承重問題、水箱清潔問題及管道供水水壓不穩(wěn)造成管路泄漏或供水不足問題等，給人們的生活和工廠生產(chǎn)帶來了不便和損失。所以，不論用水量多大多小，管網(wǎng)中穩(wěn)定的管路壓力是必須的。自動恒壓供水系統(tǒng)即自控穩(wěn)壓供水系統(tǒng)，由壓力變送器和變頻器組成，通過控制水泵轉(zhuǎn)速的方式實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定管路供水壓力的目標(biāo)[1]。

1 工作原理和系統(tǒng)特點

1.1 工作原理

自控穩(wěn)壓系統(tǒng)通過安裝在管路上的壓力變送器，將壓力信號轉(zhuǎn)變成電流信號，并將其與用戶設(shè)定的數(shù)值進行計算，最終通過計算得到的差值控制變頻器，進而輸出變化的電壓來控制水泵的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定水壓，如圖1所示。

當(dāng)用水量增加時，供水壓隨之降低，一旦供水壓小于設(shè)定值，壓力變送器的電流反饋信號會提高變頻器的輸出電壓，使水泵電機轉(zhuǎn)速提高，水壓隨之回升到設(shè)定值。當(dāng)用水量減少時，供水壓隨之上升，一旦供水壓大于設(shè)定值，壓力變送器的電流反饋信號會降低變頻器的輸出電壓，使水泵電機轉(zhuǎn)速降低，水壓隨之下降到設(shè)定值。當(dāng)供水壓力不變時，供水系統(tǒng)保持平衡狀態(tài)，直到再次失去平衡，系統(tǒng)重新開始工作。壓力控制實際就是用水流量的控制，假設(shè)可以把水流量分為供水流量Qg和用水流量Qy，用P表示供水壓力，用N表示水泵轉(zhuǎn)速，有：若Qg>Qy，則P上升，N降低；若Qg

圖1 恒壓供水原理圖

1.2 系統(tǒng)特點

使用變頻器自控穩(wěn)壓供水系統(tǒng)后，與以前的觸點式壓力表供水系統(tǒng)比較具有以下幾個特點。首先，恒壓供水實現(xiàn)了管路水壓的穩(wěn)定，保證了用戶的用水質(zhì)量，任何時候水流量均無大范圍變化。其次，節(jié)約能源。變頻穩(wěn)壓供水系統(tǒng)使用水水量大大減少，節(jié)能明顯[2]。再次，保護功能。變頻器有超電壓、低電壓、大電流、超載缺相、短路、過溫及堵轉(zhuǎn)保護等功能，能有效保護電動機的正常運轉(zhuǎn)。水壓也不會忽高忽低，不會出現(xiàn)瞬間高水壓，對水管閥門等沖擊小，減少了水管爆裂和閥門漏水的可能。最后，運行穩(wěn)定。使用變頻器和壓力傳感器的組合后能實現(xiàn)對水泵電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，不會出現(xiàn)電機頻繁起停的現(xiàn)象，延長了電機的生命周期，對供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊隨之降低。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 電路設(shè)計

系統(tǒng)電路由變頻器、壓力變送器、繼電器及按鈕等元器件組成，如圖2所示。

圖2 電氣控制圖

壓力變送器把檢測到的壓力信號變換成電流信號[3]，并將信號反饋到變頻器的電流輸入端子I，變頻器里自帶的PID模塊用來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水管內(nèi)部水壓力的動態(tài)調(diào)節(jié)。

按鈕SB2按下→繼電器KA吸合，指示燈H1點亮→觸點KA1、KA2吸合→變頻器啟動運行→水泵電機轉(zhuǎn)動。

壓力變送器檢測信號值與RP設(shè)定值進行比較后，所得值被送至變頻器，水泵轉(zhuǎn)速開始產(chǎn)生相應(yīng)變化，水管內(nèi)部壓力改變至穩(wěn)定。當(dāng)故障發(fā)生時，變頻器故障保護系統(tǒng)啟動，停止輸出并報出故障代碼，內(nèi)部輸出繼電器動作，通過A1、B1端子輸出報警（此處報警輸出可根據(jù)實際需要連接報警燈或警笛等）。要想通電繼續(xù)運行工作，按下復(fù)位按鈕SB3后方可解除變頻器報警，進而排除故障。

2.2 元器件選用

選用的元器件情況，如表1所示。

表1 選用的元器件

3 變頻器設(shè)計

3.1 變頻器選擇

雖然變頻器的種類繁多，但是選型依據(jù)均是以功率需求為主要參考。文中設(shè)計的供水系統(tǒng)采用交流異步電機作為水泵的電機，優(yōu)先考慮恒壓頻比控制方式?？刂葡到y(tǒng)需要閉環(huán)控制，通過模擬量給定目標(biāo)值，以壓力變送器的模擬量作為反饋值，以兩者的差值作為依據(jù)運算得到控制電機的輸出頻率。

以變頻器為核心的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，需要另外的PLC作為控制器，計算閉環(huán)系統(tǒng)的最終頻率輸出。為了精簡系統(tǒng)和優(yōu)化成本，設(shè)計中采用內(nèi)置PID功能的LSis7變頻器，使得變頻器可換成閉環(huán)系統(tǒng)的計算。LSis7變頻器在模擬給定和輸出頻率方面有著較高的精度，有效保障了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在水泵控制工況中，缺水狀態(tài)容易誘發(fā)水泵故障，可設(shè)置LSis7的輕載報警故障來避免水泵故障。另外，PRE-PID故障的保護可防止不科學(xué)的PID參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.2 PID控制

PID控制是把反饋給自己的誤差值與預(yù)設(shè)值的數(shù)值，應(yīng)用比例（Proportion，P）增益控制、積分時間（Integral，I）增益控制以及微分時間（Differential，D）增益控制計算出數(shù)值來控制。圖3是變頻器的PID控制調(diào)節(jié)過程。變頻器內(nèi)部的PID控制部分計算反饋值信號和給定值信號的誤差值，用計算的誤差值進行控制[4]。因此，想要使用PID控制就要有給定值信號和反饋值信號，即目標(biāo)信號和反饋信號。這里的給定值信號是用戶根據(jù)實際情況反饋給變頻器的運轉(zhuǎn)數(shù)值信號，通常是0～10 V的電壓信號；反饋值信號是由外部儀器對被測物測量得到并轉(zhuǎn)換后可供變頻器使用的數(shù)值。變頻器內(nèi)部PID控制圖，如圖3所示。有時只要能滿足使用要求，積分增益控制和微分增益控制的其中一個就可以不使用，只要與比例增益控制組合使用即可。

圖3 變頻器內(nèi)部PID控制圖

3.3 變頻器的參數(shù)設(shè)置

安裝好變頻器后要預(yù)設(shè)其內(nèi)部參數(shù)，可先把與變頻器配套的水泵電動機基本參數(shù)輸入到變頻器內(nèi)部。常規(guī)的參數(shù)水泵電動機銘牌上都有清楚的標(biāo)注，如電壓值、電流值、功率參數(shù)及轉(zhuǎn)速值等[5]。LSis7變頻器有自整定參數(shù)的功能，可以自己測量電動機運轉(zhuǎn)時所需要的參數(shù)值并保存。其他參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)語

本文使用LSis7變頻器實現(xiàn)恒壓供水的閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用變頻器實現(xiàn)了目標(biāo)值給定、壓力反饋及相應(yīng)的閉環(huán)控制，不需要工作人員頻繁操作就實現(xiàn)了供水系統(tǒng)恒壓自動控制。不僅成本低、維護方便，而且實現(xiàn)了供水的最優(yōu)化和穩(wěn)定性控制，延長了管道的使用壽命。