变频调速在恒压供水系统上的应用

1、设备改造原因

（1）目前正常生产情况下水泵控制采用工频运行；

（2）其控制接触器等电器动作频繁，导致使用寿命短，维修量大；而对于大容量系统，传统的控制线路复杂，可靠性差，需专人负责；

（3）整个系统运行噪音大、控制性能差、耗电量大、使用寿命短;在维护管理，检修调整方面工作量大，维护费用高。

2、 节能原理

水泵运行电费是一笔不小的费用，从节能方面考虑，在既满足目前生产的条件下可进行变频改造。

变频恒压供水控制系统通过测量的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，自动调节输出频率，实现管网的恒压供水。

3、 设备改造要求

3.1供水系统选用原则

3.1.1蓄水池容量应大于每小时最大供水量；

3.1.2水泵扬程总和大于实际供水高度；

3.1.3水泵流量总和应大于实际最大供水量；

3.1.4变频控制柜选型；

根据供水量和供水高度确定水泵型号及台数，然后对控制柜进行选型。

3.2通过PLC的PID功能去调节变频器，变频器只做为执行器使用。

4、控制方案

变频调速恒压供水系统采用西门子S7-300+ABB ACS510变频器。

水泵系统变频改造的动力电路原理示意图如图1所示。

图1  动力电路

新型变频恒压供水系统控制图如图2所示。

图2新型变频恒压供水系统控制图

5、系统选择

(1)器件选型

变频恒压供水系统主要由变频控制柜、压力传感器、水泵等组成。变频控制柜有断路器、变频器、接触器、中间继电器、PLC等组成。

从性价比的角度出发，主要器件变频器和压力传感器选用进口名牌部件国内组装的产品。低压电器部份选用进口产品。

本方案在保留原工频系统的基础上加装变频控制系统，与原工频系统之间仅设置连锁以确保系统工作安全。

该系统分别有3 台4kW 水泵，二用一备，采用ABB 公司的ACS510 带内置PID 功能的变频器，可编程控制器选用西门子S7-300 型，具体原理框图如图2所示。图2 中P1~P3 为变频器，M1~M3 为水泵，JC1~JC6 为电机起、停、互相切换的交流接触器，由可编程控制器定时切换。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID 调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/ 输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/ 数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制变频器输出频率的模拟信号，这样可编程控制器的成本非但没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/ 输出的可编程控制器和一个PID 调节器，其成本也和带模拟量输入/ 输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

图3新型变频恒压供水系统系统图

由于PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID 算法的编程，而且参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失真，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

6、运行方式

该系统有手动和自动两种运行方式。

手动运行

按下启动或停止按钮控制水泵启停，可根据需要分别控制热、冷泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。

自动运行

系统运行由变频柜与循环转换柜,水泵、压力传感装置等构成的闭环系统进行自动控制，即由PID 调节器接收来自压力传感器的反馈信号，与给定的压力参数进行比较运算，将调节参数送给变频器进行转速调节。

当合上自动开关后，首先由变频柜启动1# 水泵，变频器频率从零升到50 Hz，水泵达到额定转速，此时供水压力若达不到设定的压力，系统自动将1# 水泵切换到工频恒速运行，变频器再软启动2# 水泵，进行调速供水，如还达不到设定压力，系统又自动将2# 水泵切换到工频恒速运行，变频器又再软启动3# 水泵，直至达到设定压力，变频器始终停留在某一水泵上调速运行。如运行中变频泵运行频率降至设定的最低频率，供水水压仍大于设定压力时，系统将自动停止最先启动的水泵，如仍大，再停第二次启动的水泵。在夜间运行时，当最后一台变频泵运行频率降到设定的最低频率时供水压力还大于设定的压力，变频装置将进入休眠状态，系统自动停止水泵工作。此时由压力传感装置监视管网压力，若低于设定压力的0.05MPa，变频装置自动唤醒，启动水泵补水。该系统就根据压力传感器反馈信号不断进行调整，达到恒压供水的目的。

7、调试注意事项

经过一天的调试，现在分享下ACS510 的PID宏完整的调试步骤：

压力变送器4-20MA接到AI2， 量程0-10BAR. (量程可以不管)

9902----6  启用PID宏

1002----1  DI1，2线控制启停

1101----2  百分比给定

1102----7  选择外部2控制，也就是EXT2

1106----19  给定值来源于PID1输出

1304----20%  AI2低限

1305---100%  AI2高限

1601---1     定义DI1为允许启动信号

4010---19    内部给定（我们是触摸屏通过通讯给定）

4014---1     ACT1为反馈信号

4016---2     定义AI2为ACT1

说明，如果有采用MODBUS协议，读取0130(PID1的反馈值)，会造成4014跳变，无法进行PID调试，尽量读取别的数值。

另外:

1、柜体设计功能分为就地控制与远程控制两种模式，PID调节控制只有在远程控制模式才可以起作用，变频器的手动电位器调频和根据端子AI2反馈量进行PID控制。这步需要按变频器操作面板上的LOC/REM按钮，按此按钮使变频器屏幕上左方显示REM。万转开关打到远程模式上。

2、设置99组应用宏中的9902为PID宏。

3、硬件端子上远传压力表接在AI2上，则设置40组的4016为AI2输入。

4、当压力表输出值为4-20mA时，1106设置为AI2,1304设置AI2输入下限为4%，1305设置为20%。

5、设置4001增益为3,4002积分时间设置为0.5S，4003微分时间设置为0。这就完成了PID基本参数的设置。4010给定参数设置为AI1，通过面板的电位器给定来设定给定值。将4011数据设置成比0130中反馈值大的某数，比如0130为40%，将4011（PID设定值功能项）设置成50%，此时变频器开车，再看0130状态，由于反馈值在增大以趋近于50%，此过程观察压力表是否达到你需要的压力，并记住当达到你需要的压力时0130的数值，并将等值的数输入到4011中，即可实现PID控制。若所需压力的反馈量不在40%-50%这个区间，用此方法再调大4011中的数值。这样PID设置算是初步完成了。

6、用以上方法设置好以后，你会发现电机总是在变频器的低频下运行，这样即功耗大，又损耗电机。那么我们需要把4022设置成7。再把4025设置一个偏差数。这样会实现以下的效果，若4011设置的是40%，4025设置的是1%，则当压力表反馈量为39%时变频器启动带动电机将压力冲到41%，当反馈量到达41%停车，变频器睡眠，直到由于压力不足降到39%以下，变频器唤醒，并带电机将压力冲到41%。如此反复。

7、如果发现系统的相应速度较迟缓，可适当调大4001中比例增益的数值，调太大可能造成系统震荡

8、结语

1）恒压供水采用变频器改变电动机转速达到水泵出口压力稳定，比靠人工操作调节阀门开启度控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力,大大减少截流损失的效能。

2)当供水系统要求泵出口流量小于额定流量时，则泵转速自动降低，不仅节能可观,而且还减少了轴承的磨损和发热，从而延长了泵和电动机的机械使用寿命,综合经济效益明显。

 3)因实现了恒压自动控制，不需要操作人员对阀门频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

4)水泵电动机采用变频软启动方式，按设定的加速时间加速，避免了电动机启动时的电流冲击对电网电压造成的波动，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。

5)节电效果明显，收回投资快，且长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大的。