變頻器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1        引言變頻器供應(yīng)：15953103425

某廠鑄造車間堆垛機鑄模采用循環(huán)水進行冷卻，由于管道長時間使用，嚴(yán)重腐蝕、破裂，造成地下管網(wǎng)滲漏，維修相當(dāng)困難。每天滲漏冷卻水85t，一年浪費約31025t。針對這種情況我們?nèi)魧⒀h(huán)水改用變頻調(diào)速恒壓供水，充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，合理地設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備。變頻恒壓供水系統(tǒng)是采用可編程控制器、PID儀表和交流變頻器而研制成的新一代產(chǎn)品，通過壓力變送器和PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。按恒壓、節(jié)能節(jié)水的優(yōu)化運行原則，隨著用水量的變化，PID儀表不斷的進行壓力采樣，PLC進行邏輯運算自動控制機組中泵的轉(zhuǎn)速和換泵，從而實現(xiàn)全自動恒壓變頻供水。

2        工作原理變頻器供應(yīng)：15953103425
          變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過檢測管網(wǎng)壓力變化,或者按設(shè)定要求隨時間變化而自動調(diào)整壓力給定值,通過壓力變送器,將管網(wǎng)壓力反饋給PID儀表,求出壓力偏差,然后進行邏輯判斷和人工神經(jīng)元控制算法數(shù)字調(diào)節(jié)運算。目的是控制變頻器的輸出頻率和輸出電壓,從而調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速,控制多臺變頻泵和工頻泵的啟停而達到恒壓變頻供水的目的。變頻器的頻率超限信號（一般可作為管網(wǎng)壓力極限信號）可實時通知PLC進行變頻泵邏輯切換。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生,泵的啟停將聯(lián)動其出口閥門。
          各部分功能如下：變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。安裝于供水管道上的壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成1～5V的電信號；變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量；PLC用于邏輯切換。此外，上述系統(tǒng)還配備了外圍輔助電路，以保障自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，保證連續(xù)生產(chǎn)。

3        設(shè)備選型變頻器供應(yīng)：15953103425
          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。變頻控制柜由斷路器、變頻器、接觸器、中間繼電器、PLC等組成。
3.1 供水系統(tǒng)選用變頻器供應(yīng)：15953103425
          蓄水池容量應(yīng)大于每小時*供水量;水泵揚程應(yīng)大于實際供水高度;水泵流量總和應(yīng)大于實際*供水量。
3.2 變頻器變頻器供應(yīng)：15953103425
           根據(jù)工藝要求，建議配用米蘭ML5000系列變頻器。ML5000系列變頻器是米蘭科技公司采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，結(jié)合諸多*的生產(chǎn)制造工藝推出的高性能變頻器。它具有很寬的功率范圍，優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性,完整的保護功能以及靈活的編程能力，較高的可靠性和較小的體積。

            米蘭變頻器獨特的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）功能是目前*的電機控制方式，它可以對所有交流電機的核心變量進行直接控制，無需速度反饋就可以實現(xiàn)電機速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制。ML5000變頻器內(nèi)置PID、PFC、預(yù)磁通等八種應(yīng)用宏，只需選擇需要的應(yīng)用宏，相應(yīng)的所有參數(shù)都自動設(shè)置，輸入輸出端子也將自動配置，這些預(yù)設(shè)的應(yīng)用宏配置大大節(jié)約了調(diào)試時間，減少出錯。
3.3 可編程序控制器變頻器供應(yīng)：15953103425
          可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，各種單獨的模塊之泛組合以用于擴展；簡單實用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活；方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計；當(dāng)控制任務(wù)增加時，可以自由擴展；大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁；多種的性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的模塊；當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴大，可隨時使用附加模塊對PLC進行擴展。采用PLC控制的優(yōu)點：
          （1）PLC實現(xiàn)系統(tǒng)全自動工作，各泵均為軟啟動開機及停機，沒有電流沖擊，噪音低，機械沖擊磨損小，可延長設(shè)備使用壽命和提高系統(tǒng)工作可靠性。 
          （2）采用PLC編程，靈活性大，用指令可設(shè)定控制多臺泵組。
          （3）保護功能齊全、運行安全可靠。
3.4 變頻專用電機變頻器供應(yīng)：15953103425
          采用國產(chǎn)名牌產(chǎn)品，防護等級不低于IP44，絕緣等級為F級。

4        改造方案變頻器供應(yīng)：15953103425
4.1 工作性能變頻器供應(yīng)：15953103425
          主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號4～20mA送給數(shù)字PID控制器，控制器根據(jù)壓力設(shè)定值與實際檢測值進行PID運算，并給出信號直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力和穩(wěn)定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被 PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運轉(zhuǎn)仍不能達到要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。
          當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在*速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到*一臺泵用變頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設(shè)計六臺泵為兩組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24h輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠使用壽命。

          針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如米蘭公司的ML5000、ML186系列產(chǎn)品，康沃公司的系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略微高一點，但功能卻強很多。
4.2 改造方法變頻器供應(yīng)：15953103425
          系統(tǒng)分別采用3臺熱泵、3臺冷泵，二用一備，采用米蘭公司的ML5000帶內(nèi)置PID功能的變頻器，可編程控制器選用西門子S7-214-1BC10-0XB0型，具體原理框圖如圖2所示。圖2中M1～M3為電機，P1～P3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(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)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(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)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂谱冾l器轉(zhuǎn)速的模擬信號，不僅造成可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個開關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID回路調(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控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

          由于ML5000帶內(nèi)置PID功能的變頻器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(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，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。
4.3 運行方式變頻器供應(yīng)：15953103425
          該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式：
          （1）手動運行
          按下按鈕啟動或停止水泵，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使用。
          （2）自動運行
          運行由變頻柜與循環(huán)轉(zhuǎn)換柜、水泵、壓力傳感裝置構(gòu)成的閉環(huán)自控系統(tǒng)，同時PID調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器。合上自動開關(guān)后，首先由變頻柜軟啟動1#水泵，變頻器頻率從零升到50Hz，水泵達到額定轉(zhuǎn)速。此時供水壓力若達不到設(shè)定的壓力，系統(tǒng)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(diào)速供水，如還達不到設(shè)定壓力，系統(tǒng)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，直到達到設(shè)定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調(diào)速運行。如運行中變頻泵頻率降至設(shè)定的*頻率，供水水壓大于設(shè)定壓力，系統(tǒng)將自動停止*啟動的水泵，如仍大于設(shè)定壓力，再停第二次啟動的水泵。在夜間運行時，當(dāng)*一臺變頻泵頻率降到設(shè)定的*頻率，此時供水壓力還大于設(shè)定的壓力時，變頻裝置將進入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)自動停止水泵工作。此時由壓力傳感裝置監(jiān)視管網(wǎng)壓力，若低于設(shè)定壓力的0.05Mpa，變頻裝置自動喚醒，啟動水泵補水。該系統(tǒng)就如此循環(huán)啟動，調(diào)速運行、停止，不斷地進行調(diào)整，達到恒壓供水的目的。
4.4 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能變頻器供應(yīng)：15953103425
          新型的變頻調(diào)速恒壓集成供水系統(tǒng)，只要配套恒壓供水系統(tǒng)單元，便可直接控制多個電泵工作，不需外配價格昂貴的PID調(diào)節(jié)器、PLC控制器，功能強大且成本較低。這種專用的變頻調(diào)速恒壓供水控制電路，是通過設(shè)置指令代碼，方便靈活地實現(xiàn)PLC、PID等控制系統(tǒng)的功能。簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性，設(shè)備的成本可大幅度下降。 
          （1）運行的方式選擇靈活變頻器供應(yīng)：15953103425
          系統(tǒng)可選擇變頻泵固定和循環(huán)兩種方式。  
          （2）可選擇相應(yīng)的停止順序
          在關(guān)閉電泵時，可先關(guān)閉先開啟的電泵，以便使泵的使用頻率相等，這種方式主要用于水泵容量相等的情況，而先關(guān)閉后開啟的泵則適用于電泵容量不等的情況。 
          （3）控制方便、安全可靠變頻器供應(yīng)：15953103425
          系統(tǒng)無需改線，便可實現(xiàn)選擇的水泵切入退出，保養(yǎng)檢修十分方便，變頻器的功能十分完善，設(shè)有電流、電壓等各種保護及報警措施，一旦變頻器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會自動切換到工頻運行，避免斷水，安全可靠。 
          （4）直觀的人機對話變頻器供應(yīng)：15953103425
          系統(tǒng)除了面板頻率設(shè)定，電位器設(shè)定，還可以直接用Mpa水壓單位通過面板進行壓力設(shè)定，用“Mpa”直接設(shè)定方式時，在面板上顯示壓力反饋值（Mpa）,而整個壓力閉環(huán)控制可由系統(tǒng)軟件（相應(yīng)的功能碼）來實現(xiàn),且內(nèi)部參數(shù),如比例（P）積分（I）微分（D）,加減速斜率,濾波的時間常數(shù)等都可在線修改,直觀方便。 
          （5）自動節(jié)能運轉(zhuǎn)變頻器供應(yīng)：15953103425
          在系統(tǒng)中設(shè)置了節(jié)能運轉(zhuǎn)功能,在此功能下運行時,變頻器能自動搜集電機的工作點,不同的負(fù)載設(shè)置不同的V/F參數(shù)，實現(xiàn)自動節(jié)能運轉(zhuǎn)功能，另外該系統(tǒng)的變頻器采用無速度傳感器矢量控制，具有強大的保護和通訊功能，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離集中控制。
          總之系統(tǒng)具有優(yōu)良而完備的性能,將以前的PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制板上,通過設(shè)置指令代碼便可靈活方便地實現(xiàn)PLC、PID等電控系統(tǒng)的功能,簡化了電路結(jié)構(gòu),大大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

5        節(jié)能效果
5.1 變頻節(jié)能
          電機不能在滿負(fù)荷下運行，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。采用該系統(tǒng)，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速從n1變到n2時，其電機軸功率（P）的變化關(guān)系如下:P2／P1=(n2/n1)3,由此可見降低電機轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。 
5.2 動態(tài)調(diào)整節(jié)能
          迅速適應(yīng)負(fù)載變動，供給*效率時的電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有5000次/s的測控輸出功能，始終保持電機的在高效率運行。在保證電機輸出力矩的情況下，可適當(dāng)降低電機的供電電壓。減少電機的輸出力矩，降低輸入電流。 
5.3 提高功率因數(shù)節(jié)能
          采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)椋篈C-DC-AC，在整流濾波后，負(fù)載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無功損耗。 

6        經(jīng)濟效益分析變頻器供應(yīng)：15953103425
          改造前每年用電約為:(55×2+30)×24×365=1226400kW·h
          泵類變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可達到20%～30%，月均值在25%；電費價格為0.2977元/kW·h，則每年可節(jié)約電費：1226400×25%×0.2977=91274.82元
          投資回報期:=投資總額/每年節(jié)約金額=453200/91274.82=4.9年
          改造時投資費用為45.32萬元，節(jié)電改造投資在5年內(nèi)收回全部收回。該項目盡管投資后收益時間較長，但改造后不但提高了控制水平、降低工人勞動強度，而且具有很好的節(jié)能效果。

7        結(jié)束語變頻器供應(yīng)：15953103425
          本控制系統(tǒng)構(gòu)成了多臺泵的自動控制的*經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，變頻器工作的上下限頻率及數(shù)字PID控制的上下限控制點的設(shè)定對系統(tǒng)的誤差范圍也有不可忽視的作用。所以在諸多調(diào)速方案中變頻調(diào)速節(jié)能效益*，理應(yīng)為*方案。