惠豐變頻器在供水領(lǐng)域的應(yīng)用

一、前言

隨著人們生活的提高，在生活用水方面的要求日益提高，變頻恒壓供水以起環(huán)保，節(jié)能和供水質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn) 在供水行業(yè)應(yīng)用越來越廣的到應(yīng)用，以往的變頻恒壓供水往往采用可編程控制器（PLC）與變頻器組合起來實(shí)現(xiàn)控制，但可編程技術(shù)含量較高，編程難度大而讓人感覺通用性不強(qiáng)。而采用變頻器內(nèi)置PID（比例微分積分）控制模式可以拋棄可編程調(diào)試帶來得麻煩，簡(jiǎn)單易學(xué)，調(diào)試簡(jiǎn)單，性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

二、系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

變頻供水系統(tǒng)中我們一般采用以下2種傳感器：遠(yuǎn)傳壓力表（電阻式傳感器可反饋0－5VDC 電壓信號(hào)）和壓力變送器（可反饋4－20ma直流電流信號(hào)）來檢測(cè)管路的壓力。壓力設(shè)定單元是為用戶設(shè)定工作所須的系統(tǒng)壓力，而變頻器是整個(gè)供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的工作頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無及調(diào)速，無波動(dòng)恒壓供水和各項(xiàng)功能。在一般供水系統(tǒng)中通常有主泵、副泵和備用泵。下面我們以煙臺(tái)惠豐電子有限公司F1500－P系列產(chǎn)品來介紹供水系統(tǒng)的工作原理和常遇到的問題和解決方法。產(chǎn)品采用F1500－P 系列，該系列內(nèi)置PID控制器，有2個(gè)模擬口輸入（AN1－GND、AN2－GND）、2路模擬量輸出（FM－GND、IM－GND）、2個(gè)繼電器輸出口。 用戶可以在線設(shè)定工作所需的參數(shù)、最高最低頻率和繼電器的輸出口，控制非常方便。下面我們針對(duì)一拖一單泵自動(dòng)恒壓供水、一拖二固定模式自動(dòng)恒壓供水和一拖二輪換式自動(dòng)恒壓供水分別進(jìn)行介紹。

1.一拖一單泵恒壓供水電氣控制原理圖（見圖1）：

　　從中我們可以看到這是較為簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單。參數(shù)的設(shè)置：

F400=1 開放PI調(diào)節(jié)；

F401=0 選擇壓力表類型；

F402=0　選擇為單泵工作模式；

F403=0　選擇模式為負(fù)反饋。

調(diào)試說明： 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇合適的PI調(diào)節(jié)器，設(shè)置好比例（p）,積分(I )常數(shù)值 F424，F(xiàn)425 的值和采樣周期F426。根據(jù)選擇的壓力表類型（遠(yuǎn)傳壓力表或壓力變送器），我們可以選定PI 調(diào)節(jié)反饋通道（0：AN1通道0－5(10)DCv ；AN2通道0（4）－20ma）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作需要，我們可以設(shè)定：F409（壓力表設(shè)定下限(MPa)）、F410（壓力表設(shè)定下限對(duì)應(yīng)反饋量（V））、F411（壓力表設(shè)定上限（MPa））、F412(壓力表設(shè)定設(shè)定上限對(duì)應(yīng)反饋量)。同時(shí)在負(fù)反饋時(shí)，還有極限負(fù)反饋F431（壓力反饋極限），當(dāng)傳感器的輸入量超過此值時(shí)，立即自由停車，當(dāng)壓力小于壓力設(shè)定值F421時(shí)，又自動(dòng)運(yùn)行。

當(dāng)缺水時(shí)，檢測(cè)用的傳感器檢測(cè)到有缺水情況則變頻器會(huì)立刻停車，缺水報(bào)警信號(hào)一消失會(huì)立刻投入運(yùn)行。針對(duì)缺水保護(hù)F1500系列提供了以下的功能：

① 當(dāng)F500=1，缺水保護(hù)方式為傳感器缺水保護(hù)方式，當(dāng)缺水發(fā)生時(shí)，立刻停止運(yùn)行并對(duì)外輸出報(bào)警信號(hào)EP，水位達(dá)到一定高度時(shí)，傳感器檢測(cè)到該情況外部端子動(dòng)作使變頻器立刻動(dòng)作進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。

② 當(dāng)F500=2時(shí) 無傳感器保護(hù)模式，變頻器不外接液位傳感器，內(nèi)部軟件按以下條判斷是否缺水（僅在有負(fù)反饋時(shí)有效）：

⑴ 行頻率達(dá)到上限頻率；

⑵ 當(dāng)前電流小于電機(jī)帶載最小工作電流；

⑶ 當(dāng)前壓力值小于設(shè)定壓力值。

當(dāng)上述三個(gè)都滿足時(shí)，缺水保護(hù)，報(bào)警信號(hào)顯示EP，同時(shí)延時(shí)F502（無傳感器缺水后再次給水設(shè)定的時(shí)間）后再啟動(dòng)運(yùn)行。

壓力傳感器（遠(yuǎn)傳壓力表和壓力變送器）的選取和安裝：

① 遠(yuǎn)傳壓力表目前大多選用電阻或電位器類型的，工作原理：當(dāng)系統(tǒng)有一定的液體或氣體壓力時(shí)，壓力表能將檢測(cè)到的壓力的變化情況轉(zhuǎn)換成電阻量的變化對(duì)外輸出。（用戶在現(xiàn)場(chǎng)可以直觀的看到系統(tǒng)壓力的變化情況）應(yīng)用遠(yuǎn)傳壓力表應(yīng)注意：

⑴　壓力表的地端應(yīng)與變頻器的端子GND相連；

⑵　壓力輸入信號(hào)與變頻器的AN1相連；

⑶　電源端與變頻器的+10v 相連。

② 壓力變送器：當(dāng)系統(tǒng)的液體或氣體有壓力時(shí)，壓力變送器能將壓力的變化情況轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 0（4）－20ma 直流電流信號(hào)輸出，優(yōu)點(diǎn)是適合遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。使用壓力邊送器一般需要24v的直流激勵(lì)電源，變頻器有24v 的電源可以直接使用，對(duì)應(yīng)com地，用戶也可以單獨(dú)外接開關(guān)電源，注意開關(guān)電源電壓要求最少+16v 以上，太低可能不能正常工作。

③ 傳感器安裝部位的選定，考慮到傳感器的測(cè)量精度，我們一般將安裝部位選在供水管的離地面 1.0M－1.5M 高度，一般采用螺紋連接。

2.一拖二固定模式自動(dòng)恒壓供水的控制過程：

一拖二固定模式就是一臺(tái)變頻器控制2臺(tái)電機(jī)，一臺(tái)固定做變頻泵用，另一臺(tái)做工頻泵用，根據(jù)工作壓力的需要投入或切換掉工頻泵（為負(fù)反饋模式）。

一拖二固定模式自動(dòng)恒壓供水的控制電氣原理如圖2所示（GK-2）：

注意：上圖中的熱保護(hù)繼電器FR1不應(yīng)該加到KM2之后，應(yīng)加到KM3之后。

在出廠值下參數(shù)如下設(shè)置：

F400=1 PI功能開放

F402=1 選擇一拖二固定方式

F107=20HZ 下限頻率作為水泵作功的最低工作頻率

F223=5 OUT作投切輸出信號(hào)

當(dāng)PI調(diào)節(jié)頻率到達(dá)上限頻率，延時(shí)F428（ 投切工頻泵的延時(shí)時(shí)間），并且當(dāng)目前的工作壓力仍小于設(shè)定壓力減去死區(qū)壓力（為量程的百分比），變頻泵立即自由停車，此時(shí)若表征端子設(shè)為5（投切信號(hào)）時(shí)，此端子動(dòng)作，表現(xiàn)為：當(dāng)OUT（F223=5）時(shí)，OUT與24V之間輸出24VDC。我們?cè)趦蓚€(gè)端子之間外接一個(gè)24V的中間繼電器，則此時(shí)繼電器工作， 通過外部接觸器把工作泵切換到工頻上。延時(shí)F434（變頻泵再次工作時(shí)間）后，變頻泵重新運(yùn)行進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，防止管網(wǎng)壓力有大的波動(dòng)。

如果工頻泵已經(jīng)投入到工頻上，而且當(dāng)前壓力大于設(shè)定壓力，變頻器運(yùn)行頻率已經(jīng)降到下限頻率，延時(shí)F428（投切工頻泵的延時(shí)時(shí)間）設(shè)定的時(shí)間后，OUT與24V之間輸出0V電壓，外部24V中間繼電器斷開，通過接觸器把工頻泵切掉，變頻泵通過變頻器的PI控制模式運(yùn)行，進(jìn)行壓力的調(diào)節(jié)。當(dāng)工頻泵斷開后當(dāng)前壓力仍大于設(shè)定的壓力，則變頻器在延時(shí)F435（停車延時(shí)時(shí)間設(shè)定）時(shí)間后停車。

變頻器停車后，若壓力小于F421設(shè)定值（PI調(diào)節(jié)壓力給定2），則變頻器會(huì)重新自動(dòng)拖動(dòng)變頻泵運(yùn)行進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。

同時(shí)當(dāng)是負(fù)反饋時(shí)，當(dāng)傳感器的輸入量超過F431（ 極限反饋）的設(shè)定值時(shí)，立刻自由停車，同時(shí)根據(jù)壓力情況，當(dāng)壓力小于F421設(shè)定，又自動(dòng)運(yùn)行。一旦有缺水報(bào)警信號(hào)，變頻器立即停車，報(bào)警信號(hào)一消失立刻投入運(yùn)行：

① 當(dāng)F500=1，缺水保護(hù)方式為傳感器缺水保護(hù)方式，當(dāng)缺水發(fā)生時(shí)，立刻停止運(yùn)行并對(duì)外輸出報(bào)警信號(hào)EP，水位達(dá)到一定高度時(shí)，傳感器檢測(cè)到該情況 外部端子動(dòng)作使變頻器立刻動(dòng)作進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。

② 當(dāng)F500=2時(shí)，無傳感器保護(hù)模式，變頻器不外接液位傳感器，內(nèi)部軟件按以下條判斷是否缺水（僅在有負(fù)反饋時(shí)有效）：

⑴　運(yùn)行頻率達(dá)到上限頻率；

⑵　當(dāng)前電流小于電機(jī)帶載最小工作電流；

⑶　當(dāng)前壓力值小于設(shè)定壓力值。

當(dāng)上述三個(gè)都滿足時(shí)，缺水保護(hù)，報(bào)警信號(hào)顯示EP，同時(shí)延時(shí) F502（無傳感器缺水后再次給水設(shè)定的時(shí)間）后再啟動(dòng)運(yùn)行。

3. 一拖二輪換式自動(dòng)恒壓供水：

一拖二輪換模式基本與固定模式相同，不同之處在于F429（定時(shí)輪換時(shí)間）到后，將2臺(tái)泵互換，即原來的工頻泵做變頻泵用，變頻泵改為工頻泵用，防止長時(shí)間只用一臺(tái)泵，另一臺(tái)泵得不到使用而老化生銹。

一拖二輪換式自動(dòng)恒壓供水原理，如圖3所示（G－3）：

注意：上圖中的熱保護(hù)繼電器FR1不應(yīng)該加到KM1之后，應(yīng)加到KM2之后。

在出廠值下參數(shù)如下設(shè)置：

F400=1 PI功能開放

F402=2 選擇一拖二輪換方式

F107=20HZ 下限頻率作為水泵作功的最低工作頻率

F222=6 TA、TC作輪換輸出信號(hào)

F223=5 OUT作投切輸出信號(hào)

工作原理：我們將F222（繼電器表征輸出）= 6，F(xiàn)223（OUT表征輸出）=5。也就是說， 繼電器端子TA、TC閉合，外接中間繼電器接變頻泵，OUT與24V之間外接中間繼電器控制切投工頻泵。當(dāng)輪換時(shí)間到后，繼電器TA，TC斷開，OUT與24V之間輸出為0V，F(xiàn)222（繼電器表征輸出）=5，F(xiàn)223（OUT表征輸出）=6在F438（延時(shí)輪換延時(shí)時(shí)間）到后，OUT與24V之間輸出24V，外接繼電器接變頻泵，繼電器TA、TC的閉合通斷。外部?jī)啥俗又g接一個(gè) 24V的繼電器，用于切投工頻泵，變頻器自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)壓力情況進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。

三 變頻器在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)常遇到的問題和解決方法：

1. 產(chǎn)品選型：

注意區(qū)分是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，還是風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，一般泵類負(fù)載都比較輕，負(fù)載功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速是三次方關(guān)系，但像深井泵之類的負(fù)載比較特殊，因其揚(yáng)程大，負(fù)載重應(yīng)該認(rèn)做恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載在選擇變頻器時(shí)可以選用風(fēng)機(jī)泵類專用變頻器，此類專用變頻器一般在設(shè)計(jì)時(shí)都將常用到的功能和控制方法軟件化，有專門的信號(hào)輸出，輸入口，使用方便。如果是深井泵我們常選用通用變頻器外加專用的PI控制器。

2.變頻器在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)應(yīng)注意以下問題：

①確認(rèn)變頻器完好無損，接線正確，變頻器保護(hù)接地良好。

②測(cè)試電機(jī)在變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)方向是否一致，要確保電機(jī)在不同的工作方式下運(yùn)行方向一致。

③測(cè)試遠(yuǎn)傳壓力表或壓力變送器完好無損，正確的將傳感器與變頻器連接。

④根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作的需要，我們將工作時(shí)水的壓力（如公斤力）換算成標(biāo)準(zhǔn)的壓力（MPa） 輸入到變頻器，注意變頻器的上限壓力設(shè)定值要稍微大于實(shí)際需要值，上限壓力設(shè)定值與極限壓力設(shè)定值要有一定的差值，不能太小，防止變頻供水時(shí)供水壓力瞬時(shí)超過極限壓力設(shè)定值而造成變頻器停車。

⑤ P、I 、D 值的整定：用戶在使用PID調(diào)節(jié)方法控制系統(tǒng)時(shí)，要使系統(tǒng)合理正常的工作關(guān)鍵在于P、I、D三個(gè)參數(shù)的整定。一般來說，P值越大，負(fù)載變化后供水壓力恢復(fù)的越快，但過大會(huì)引起超調(diào)現(xiàn)象使系統(tǒng)振蕩，不穩(wěn)定；I值大，響應(yīng)速度可快，但抑制超調(diào)現(xiàn)象的效果不是太好，D值主要是加快響應(yīng)速度，該值應(yīng)盡可能小，否則會(huì)引起較大振蕩。我們推薦用戶使用PI 調(diào)節(jié)方法：先設(shè)定PI 值為出廠值，I值由小到大逐步調(diào)節(jié)，直到整個(gè)系統(tǒng)能較快 穩(wěn)定的達(dá)到所需要的值。

3.明白系統(tǒng)的工作原理：該原理是：將主管出口壓力作為調(diào)控參數(shù)，通過壓力變送器或遠(yuǎn)傳壓力表將主管出口壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4－20ma ( 或0－5 v) 直流信號(hào)，送入調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定信號(hào)比較，其差值由調(diào)節(jié)器做PI 運(yùn)算，輸出信號(hào)送給變頻器，隨時(shí)調(diào)整變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變泵的排水量，維持主管出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值以上。若主管壓力發(fā)生變化將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（恒壓變頻供水控制原理，如圖4所示）