• 關鍵詞： 變頻調速 恒壓供水系統 應用
• 摘要：水泵運行電費是一筆不小的費用，從節能方面考慮，在既滿足目前生產的條件下可進行變頻改造。變頻恒壓供水控制系統通過測量的管網壓力，經變頻器的內置PID調節器運算后，自動調節輸出頻率，實現管網的恒壓供水。

1、設備改造原因

（1）目前正常生產情況下水泵控制采用工頻運行；

（2）其控制接觸器等電器動作頻繁，導致使用壽命短，維修量大；而對于大容量系統，傳統的控制線路復雜，可靠性差，需專人負責；

（3）整個系統運行噪音大、控制性能差、耗電量大、使用壽命短;在維護管理，檢修調整方面工作量大，維護費用高。

2、 節能原理

水泵運行電費是一筆不小的費用，從節能方面考慮，在既滿足目前生產的條件下可進行變頻改造。

變頻恒壓供水控制系統通過測量的管網壓力，經變頻器的內置PID調節器運算后，自動調節輸出頻率，實現管網的恒壓供水。

3、 設備改造要求

3.1供水系統選用原則

3.1.1蓄水池容量應大于每小時最大供水量；

3.1.2水泵揚程總和大于實際供水高度；

3.1.3水泵流量總和應大于實際最大供水量；

3.1.4變頻控制柜選型；

根據供水量和供水高度確定水泵型號及臺數，然后對控制柜進行選型。

3.2通過PLC的PID功能去調節變頻器，變頻器只做為執行器使用。

4、控制方案

變頻調速恒壓供水系統采用西門子S7-300+ABB ACS510變頻器。

水泵系統變頻改造的動力電路原理示意圖如圖1所示。

圖1  動力電路

新型變頻恒壓供水系統控制圖如圖2所示。

圖2新型變頻恒壓供水系統控制圖

5、系統選擇

(1)器件選型

變頻恒壓供水系統主要由變頻控制柜、壓力傳感器、水泵等組成。變頻控制柜有斷路器、變頻器、接觸器、中間繼電器、PLC等組成。

從性價比的角度出發，主要器件變頻器和壓力傳感器選用進口名牌部件國內組裝的產品。低壓電器部份選用進口產品。

本方案在保留原工頻系統的基礎上加裝變頻控制系統，與原工頻系統之間僅設置連鎖以確保系統工作安全。

該系統分別有3 臺4kW 水泵，二用一備，采用ABB 公司的ACS510 帶內置PID 功能的變頻器，可編程控制器選用西門子S7-300 型，具體原理框圖如圖2所示。圖2 中P1~P3 為變頻器，M1~M3 為水泵，JC1~JC6 為電機起、停、互相切換的交流接觸器，由可編程控制器定時切換。由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID 調節器給出的，所以對可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/ 輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/ 數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊PWM 調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制變頻器輸出頻率的模擬信號，這樣可編程控制器的成本非但沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/ 輸出的可編程控制器和一個PID 調節器，其成本也和帶模擬量輸入/ 輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID 控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。

圖3新型變頻恒壓供水系統系統圖

由于PID 運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID 算法的編程，而且參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID 調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失真，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。

6、運行方式

該系統有手動和自動兩種運行方式。

手動運行

按下啟動或停止按鈕控制水泵啟停，可根據需要分別控制熱、冷泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。

自動運行

系統運行由變頻柜與循環轉換柜,水泵、壓力傳感裝置等構成的閉環系統進行自動控制，即由PID 調節器接收來自壓力傳感器的反饋信號，與給定的壓力參數進行比較運算，將調節參數送給變頻器進行轉速調節。

當合上自動開關后，首先由變頻柜啟動1# 水泵，變頻器頻率從零升到50 Hz，水泵達到額定轉速，此時供水壓力若達不到設定的壓力，系統自動將1# 水泵切換到工頻恒速運行，變頻器再軟啟動2# 水泵，進行調速供水，如還達不到設定壓力，系統又自動將2# 水泵切換到工頻恒速運行，變頻器又再軟啟動3# 水泵，直至達到設定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調速運行。如運行中變頻泵運行頻率降至設定的最低頻率，供水水壓仍大于設定壓力時，系統將自動停止最先啟動的水泵，如仍大，再停第二次啟動的水泵。在夜間運行時，當最后一臺變頻泵運行頻率降到設定的最低頻率時供水壓力還大于設定的壓力，變頻裝置將進入休眠狀態，系統自動停止水泵工作。此時由壓力傳感裝置監視管網壓力，若低于設定壓力的0.05MPa，變頻裝置自動喚醒，啟動水泵補水。該系統就根據壓力傳感器反饋信號不斷進行調整，達到恒壓供水的目的。

7、調試注意事項

經過一天的調試，現在分享下ACS510 的PID宏完整的調試步驟：

壓力變送器4-20MA接到AI2， 量程0-10BAR. (量程可以不管)

9902----6  啟用PID宏

1002----1  DI1，2線控制啟停

1101----2  百分比給定

1102----7  選擇外部2控制，也就是EXT2

1106----19  給定值來源于PID1輸出

1304----20%  AI2低限

1305---100%  AI2高限

1601---1     定義DI1為允許啟動信號

4010---19    內部給定（我們是觸摸屏通過通訊給定）

4014---1     ACT1為反饋信號

4016---2     定義AI2為ACT1

說明，如果有采用MODBUS協議，讀取0130(PID1的反饋值)，會造成4014跳變，無法進行PID調試，盡量讀取別的數值。

另外:

1、柜體設計功能分為就地控制與遠程控制兩種模式，PID調節控制只有在遠程控制模式才可以起作用，變頻器的手動電位器調頻和根據端子AI2反饋量進行PID控制。這步需要按變頻器操作面板上的LOC/REM按鈕，按此按鈕使變頻器屏幕上左方顯示REM。萬轉開關打到遠程模式上。

2、設置99組應用宏中的9902為PID宏。

3、硬件端子上遠傳壓力表接在AI2上，則設置40組的4016為AI2輸入。

4、當壓力表輸出值為4-20mA時，1106設置為AI2,1304設置AI2輸入下限為4%，1305設置為20%。

5、設置4001增益為3,4002積分時間設置為0.5S，4003微分時間設置為0。這就完成了PID基本參數的設置。4010給定參數設置為AI1，通過面板的電位器給定來設定給定值。將4011數據設置成比0130中反饋值大的某數，比如0130為40%，將4011（PID設定值功能項）設置成50%，此時變頻器開車，再看0130狀態，由于反饋值在增大以趨近于50%，此過程觀察壓力表是否達到你需要的壓力，并記住當達到你需要的壓力時0130的數值，并將等值的數輸入到4011中，即可實現PID控制。若所需壓力的反饋量不在40%-50%這個區間，用此方法再調大4011中的數值。這樣PID設置算是初步完成了。

6、用以上方法設置好以后，你會發現電機總是在變頻器的低頻下運行，這樣即功耗大，又損耗電機。那么我們需要把4022設置成7。再把4025設置一個偏差數。這樣會實現以下的效果，若4011設置的是40%，4025設置的是1%，則當壓力表反饋量為39%時變頻器啟動帶動電機將壓力沖到41%，當反饋量到達41%停車，變頻器睡眠，直到由于壓力不足降到39%以下，變頻器喚醒，并帶電機將壓力沖到41%。如此反復。

7、如果發現系統的相應速度較遲緩，可適當調大4001中比例增益的數值，調太大可能造成系統震蕩

8、結語

1）恒壓供水采用變頻器改變電動機轉速達到水泵出口壓力穩定，比靠人工操作調節閥門開啟度控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力,大大減少截流損失的效能。

2)當供水系統要求泵出口流量小于額定流量時，則泵轉速自動降低，不僅節能可觀,而且還減少了軸承的磨損和發熱，從而延長了泵和電動機的機械使用壽命,綜合經濟效益明顯。

 3)因實現了恒壓自動控制，不需要操作人員對閥門頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。

4)水泵電動機采用變頻軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免了電動機啟動時的電流沖擊對電網電壓造成的波動，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統的喘振。

5)節電效果明顯，收回投資快，且長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大的。