自动化项目经典案例分享：供水系统的变频恒压控制

作者：机械工业出版社E视界


单台水泵的恒压控制


以单台水泵的供水系统为例，假设水泵以调速方式运行，则其恒压控制原理框图如下：


在图中，设定压力SV是工艺要求值，在PID上用按键输入此值，它是我们希望保持的管网压力值，管网上安装的压力传感器把实际压力PV输送到PID的检测量模拟输入端，PID比较误差e的正负。


当误差e为正时，说明实际压力值PV小于设定值SV，PID的输出u增大，变频器的输出增加，水泵转速n上升，实际压力值PV上升，当PV等于SV时，电动机转速停止上升，管网压力PV维持在设定值SV。


当误差e为负时，说明管网实际压力PV高于设定值SV，则PID输出u减小，变频器的输出频率f减小，水泵转速n降低，管网实际压力PV降低，当PV等于SV时，电动机转速停止降低，管网压力PV维持在SV。


如果积分参数I不起作用(I=0)，则PID不能实现无差调节，因为PV=SV时，ei=0，则比例P和微分项D的输出为零，PID输出也将变为零，不能维持一定的压力值，因此必须有无差e才能使输出保持为一定的值，即u=P*ei。


所以PID控制器的I参数其主要作用是为了实现无差(ei=0)控制，用调速方式实现恒压控制如下图所示。

当管网压力用阀门调节来实现恒压控制时，用阀门调节实现恒压控制的原理如下图所示。

在图中，阀门定位器的作用是把PID输出的4~20mA信号转化为对应的阀门开度0~90°（全关~全开），其控制过程同第一张图。


多台水泵的供水系统恒压控制


对于多台水泵的供水系统，除了上述的控制过程外，还有一个增减泵的控制，一般情况下需要增加一个PLC（或类似的控制装置）。


其控制过程为：当管网压力PV低于设定压力SV时，PID输出增加，变频器频率增加，电动转速增加，随着水泵的加速，PV增加，PID的输出一直增大到最大(20mA)时，变频器的输出频率达到最高频率(50Hz)，水泵转速达到额定转速；如果PV仍低于SV，则PID输出压力低的报警（开关量）信号，PLC接到该压力低报警信号，延时一定的时间（一般为30s~15min）；如果PV一直小于SV，则说明一台水泵已经不够用了，应使PLC控制第二台水泵投入运行，一直到开泵台数满足要求为止，PV值基本稳定在SV值附近。


当管网压力PV大于设定值SV时，如果PID的输出已经最小(4mA)，调速水泵停止运行，如果此时PV仍大于SV，则PID输出压力高的报警信号，PLC接收到此输入信号，延时一定的时间(30s~15min)，PLC控制关掉一台水泵，知道关泵台数满足要求为止，PV值基本稳定在SV值附近。


案例分享


以3台泵为例，3台泵的恒压变频控制系统电气控制图如下图所示。目前，很多变频器本身自带PID和PLC，这样造价也低，所以在选型时可以选择这样的变频器，如富士公司的FRENIC5000-P11变频器、西门子公司的M430变频器和爱默生公司的TD2100变频器等。

在图中，万能转换开关SA2在右边“手动”位置时，①和②接通，③和④接通，⑤和⑥断开，按下起动按钮SB2，交流接触器KM1吸合，电动机M1工频起动；


按下停止按钮SB1，交流接触器KM1释放，电动机M1停止运行；


按下起动按钮SB4，交流接触器KM2吸合，电动机M2工频起动；


按下停止按钮SB3，交流接触器KM2释放，电动机M2停止运行。


在图中，万能转换开关SA2在左边“自动”位置时，①和②断开，③和④断开，⑤和⑥接通，KA3吸合，PLC控制变频器的起动，PID的压力高报警信号和压力低报警信号接在PLC的输入端，PLC测量到压力高报警信号或压力低报警信号，如果一直存在该信号，延时一定时间，则PLC控制电动机M1和电动机M2起动或停止。


PLC输出控制继电器KA1吸合时，交流接触器KM1吸合，电动机M1工频起动；


PLC输出控制继电器KA1断开时，交流接触器KM1失电释放，电动机M1停止运行；


PLC控制继电器KA2吸合时，交流接触器KM2吸合，电动机M2工频起动；


PLC控制继电器KA2断开时，交流接触器KM2失电释放，电动机M2停止运行。


压力传感器P测量管道中水的压力，根据压力的大小输出3~340Ω的模拟信号到PID控制器，PID根据误差e(=SV-PV)，运算后输出4~20mA的调节信号到变频器的速度控制输入端，改变水泵电动机的转速，从而实现压力的恒定控制。


注意：万能转换开关SA2的②和④触头不能合并为一个触头，否则“自动”时，继电器KA1和KA2线圈吸合会造成手动按钮也能起动水泵电动机。


利用PLC实现恒压控制


在第三张图中，如果不用PID和阀门定位器，而是利用PLC对阀门电动机直接进行开阀、关阀和停止3个动作的控制也可以实现恒压控制。利用PLC实现恒压控制如下图所示。

管网压力PV低于SV时，PLC输出打开阀门控制信号，随着阀门打开角度增加管网压力PV升高，当PLC判别到PV=SV时，PLC输出停止阀门运行信号，阀门停在使PV=SV的位置上。当PV大于SV时，PLC控制阀门关，阀门打开角度减小，当PV=SV时，PLC输出阀门停止运行信号。


3台泵恒压变频控制系统元件清单见下表。

初学者请注意：断路器有电动机型和线路型之分，由于电动机的起动电流大，所以，电动机型的断路器，在较大的电动机起动冲击电流下不出现跳闸，如果选成线路型的，则可能出现断路器在电动机起动时跳闸的问题。


目前，变频恒压供水设备在工业用水、市政输水、建筑用水及民用小区供水等领域大量应用，它避免了用阀门调节压力时造成的节流损失，使用也十分方便。两者的控制系统基本一样，只是用变频器调节电动机的转速代替了控制阀门开度的调节方法。