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關(guān)鍵詞：
變頻調(diào)速
恒壓供水系統(tǒng)
應(yīng)用
- 摘要：水泵運(yùn)行電費(fèi)是一筆不小的費(fèi)用，從節(jié)能方面考慮，在既滿足目前生產(chǎn)的條件下可進(jìn)行變頻改造。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過測(cè)量的管網(wǎng)壓力，經(jīng)變頻器的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。
1、設(shè)備改造原因
（1）目前正常生產(chǎn)情況下水泵控制采用工頻運(yùn)行；
（2）其控制接觸器等電器動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致使用壽命短，維修量大；而對(duì)于大容量系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制線路復(fù)雜，可靠性差，需專人負(fù)責(zé)；
（3）整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行噪音大、控制性能差、耗電量大、使用壽命短;在維護(hù)管理，檢修調(diào)整方面工作量大，維護(hù)費(fèi)用高。
2、 節(jié)能原理
水泵運(yùn)行電費(fèi)是一筆不小的費(fèi)用，從節(jié)能方面考慮，在既滿足目前生產(chǎn)的條件下可進(jìn)行變頻改造。
變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過測(cè)量的管網(wǎng)壓力，經(jīng)變頻器的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。
3、 設(shè)備改造要求
3.1供水系統(tǒng)選用原則
3.1.1蓄水池容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量；
3.1.2水泵揚(yáng)程總和大于實(shí)際供水高度；
3.1.3水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量；
3.1.4變頻控制柜選型；
根據(jù)供水量和供水高度確定水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)，然后對(duì)控制柜進(jìn)行選型。
3.2通過PLC的PID功能去調(diào)節(jié)變頻器，變頻器只做為執(zhí)行器使用。
4、控制方案
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用西門子S7-300+ABB ACS510變頻器。
水泵系統(tǒng)變頻改造的動(dòng)力電路原理示意圖如圖1所示。
圖1 動(dòng)力電路
新型變頻恒壓供水系統(tǒng)控制圖如圖2所示。
圖2新型變頻恒壓供水系統(tǒng)控制圖
5、系統(tǒng)選擇
(1)器件選型
變頻恒壓供水系統(tǒng)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(jià)比的角度出發(fā)，主要器件變頻器和壓力傳感器選用進(jìn)口名牌部件國(guó)內(nèi)組裝的產(chǎn)品。低壓電器部份選用進(jìn)口產(chǎn)品。
本方案在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝變頻控制系統(tǒng)，與原工頻系統(tǒng)之間僅設(shè)置連鎖以確保系統(tǒng)工作安全。
該系統(tǒng)分別有3 臺(tái)4kW 水泵，二用一備，采用ABB 公司的ACS510 帶內(nèi)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(jī)起、停、互相切換的交流接觸器，由可編程控制器定時(shí)切換。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID 調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)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(jià)格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/ 數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊PWM 調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂谱冾l器輸出頻率的模擬信號(hào)，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(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入/ 輸出的可編程控制器和一個(gè)PID 調(diào)節(jié)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(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID 控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
圖3新型變頻恒壓供水系統(tǒng)系統(tǒng)圖
由于PID 運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID 算法的編程，而且參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失真，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。
6、運(yùn)行方式
該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。
手動(dòng)運(yùn)行
按下啟動(dòng)或停止按鈕控制水泵啟停，可根據(jù)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(shí)用。
自動(dòng)運(yùn)行
系統(tǒng)運(yùn)行由變頻柜與循環(huán)轉(zhuǎn)換柜,水泵、壓力傳感裝置等構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，即由PID 調(diào)節(jié)器接收來自壓力傳感器的反饋信號(hào)，與給定的壓力參數(shù)進(jìn)行比較運(yùn)算，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
當(dāng)合上自動(dòng)開關(guān)后，首先由變頻柜啟動(dòng)1# 水泵，變頻器頻率從零升到50 Hz，水泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)供水壓力若達(dá)不到設(shè)定的壓力，系統(tǒng)自動(dòng)將1# 水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器再軟啟動(dòng)2# 水泵，進(jìn)行調(diào)速供水，如還達(dá)不到設(shè)定壓力，系統(tǒng)又自動(dòng)將2# 水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器又再軟啟動(dòng)3# 水泵，直至達(dá)到設(shè)定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調(diào)速運(yùn)行。如運(yùn)行中變頻泵運(yùn)行頻率降至設(shè)定的最低頻率，供水水壓仍大于設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止最先啟動(dòng)的水泵，如仍大，再停第二次啟動(dòng)的水泵。在夜間運(yùn)行時(shí)，當(dāng)最后一臺(tái)變頻泵運(yùn)行頻率降到設(shè)定的最低頻率時(shí)供水壓力還大于設(shè)定的壓力，變頻裝置將進(jìn)入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)停止水泵工作。此時(shí)由壓力傳感裝置監(jiān)視管網(wǎng)壓力，若低于設(shè)定壓力的0.05MPa，變頻裝置自動(dòng)喚醒，啟動(dòng)水泵補(bǔ)水。該系統(tǒng)就根據(jù)壓力傳感器反饋信號(hào)不斷進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到恒壓供水的目的。
7、調(diào)試注意事項(xiàng)
經(jīng)過一天的調(diào)試，現(xiàn)在分享下ACS510 的PID宏完整的調(diào)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(dòng)信號(hào)
4010---19 內(nèi)部給定（我們是觸摸屏通過通訊給定）
4014---1 ACT1為反饋信號(hào)
4016---2 定義AI2為ACT1
說明，如果有采用MODBUS協(xié)議，讀取0130(PID1的反饋值)，會(huì)造成4014跳變，無法進(jìn)行PID調(diào)試，盡量讀取別的數(shù)值。
另外:
1、柜體設(shè)計(jì)功能分為就地控制與遠(yuǎn)程控制兩種模式，PID調(diào)節(jié)控制只有在遠(yuǎn)程控制模式才可以起作用，變頻器的手動(dòng)電位器調(diào)頻和根據(jù)端子AI2反饋量進(jìn)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(zhuǎn)開關(guān)打到遠(yuǎn)程模式上。
2、設(shè)置99組應(yīng)用宏中的9902為PID宏。
3、硬件端子上遠(yuǎn)傳壓力表接在AI2上，則設(shè)置40組的4016為AI2輸入。
4、當(dāng)壓力表輸出值為4-20mA時(shí)，1106設(shè)置為AI2,1304設(shè)置AI2輸入下限為4%，1305設(shè)置為20%。
5、設(shè)置4001增益為3,4002積分時(shí)間設(shè)置為0.5S，4003微分時(shí)間設(shè)置為0。這就完成了PID基本參數(shù)的設(shè)置。4010給定參數(shù)設(shè)置為AI1，通過面板的電位器給定來設(shè)定給定值。將4011數(shù)據(jù)設(shè)置成比0130中反饋值大的某數(shù)，比如0130為40%，將4011（PID設(shè)定值功能項(xiàng)）設(shè)置成50%，此時(shí)變頻器開車，再看0130狀態(tài)，由于反饋值在增大以趨近于50%，此過程觀察壓力表是否達(dá)到你需要的壓力，并記住當(dāng)達(dá)到你需要的壓力時(shí)0130的數(shù)值，并將等值的數(shù)輸入到4011中，即可實(shí)現(xiàn)PID控制。若所需壓力的反饋量不在40%-50%這個(gè)區(qū)間，用此方法再調(diào)大4011中的數(shù)值。這樣PID設(shè)置算是初步完成了。
6、用以上方法設(shè)置好以后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電機(jī)總是在變頻器的低頻下運(yùn)行，這樣即功耗大，又損耗電機(jī)。那么我們需要把4022設(shè)置成7。再把4025設(shè)置一個(gè)偏差數(shù)。這樣會(huì)實(shí)現(xiàn)以下的效果，若4011設(shè)置的是40%，4025設(shè)置的是1%，則當(dāng)壓力表反饋量為39%時(shí)變頻器啟動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)將壓力沖到41%，當(dāng)反饋量到達(dá)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(jī)將壓力沖到41%。如此反復(fù)。
7、如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的相應(yīng)速度較遲緩，可適當(dāng)調(diào)大4001中比例增益的數(shù)值，調(diào)太大可能造成系統(tǒng)震蕩
8、結(jié)語
1）恒壓供水采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到水泵出口壓力穩(wěn)定，比靠人工操作調(diào)節(jié)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(dāng)供水系統(tǒng)要求泵出口流量小于額定流量時(shí)，則泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)降低，不僅節(jié)能可觀,而且還減少了軸承的磨損和發(fā)熱，從而延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命,綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯。
3)因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員對(duì)閥門頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。
4)水泵電動(dòng)機(jī)采用變頻軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊對(duì)電網(wǎng)電壓造成的波動(dòng)，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
5)節(jié)電效果明顯，收回投資快，且長(zhǎng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大的。
