案例4.4_变频水泵恒压供水装置要点

案例4.4__变频水泵恒压供水装置

1.概况：

近年来由于城市建设飞速发展，高层楼宇大量涌现，居民用水矛盾日益突出。如采用水箱供水存在水压不稳、二次污染和耗能等问题。随着PLC控制和变频技术的发展，变频恒压供水逐步为大家认可。

变频恒压供水目前国家尚无标准。因此变频恒压供水系统的构成各不相同，一般按用户要求进行生产。通常控制采用PLC, 调速采用变频器, 用压力变送器作为管网压力采样和反馈信号与压力设定信号进行比较，经过PID调节器运算，它的输出作为变频器频率给定，从而调节电动机的转速，使管网压力维持恒定。一台变频器可以控制二台或多台水泵。

在本实例中，因考虑到本系统的使用环境是居民大楼，用水量需根据季节变换和气温变化经常要进行调整。而控制室为无人值守，操作者是一般物业人员，要求系统工作可靠，操作简单。因此对系统的总体设计中采用PLC来对水泵的开、关和切换进行控制及对故障进行处理；使用PID调节器来实现闭环控制，而水泵的驱动则采用变频器，变频器工作在开环运行状态，由PID调节器的输出（4～20mA电流）作为变频器的频率给定信号。供水管网中的压力则通过压力变送器转换为4～20mA的电流信号反馈到PID调节器。压力给定信号在调节器面板中以键盘设置。系统的控制方框图如图4-1所示。

水泵房的现场照片和控制柜外形照片分别见图4-2和图4-3，

图4-2 水泵房现场照片图4-3 恒压供水系统电气控制柜外形图本系统在正常工作时只须二台泵，另一台作为备用泵。考虑到三台泵应均衡使用，故不设备用泵，而改为三台泵轮流工作制。如大楼居民用水流量少时，用一号泵作变频运行,电动机低速运行。当用水流量增加造成管网压力降低，压力变送器输出信号减小，使PID调节器输出信号增加，从而使变频器输出频率增加，使电动机升速,管网压力随之增加。PID调节器调节压力的过程如下：PID调节器的给定量P g恒定，

当用水流量增加时，供水能力Q G小于用水流量Q u，则压力降低，压力反馈信号P F↓→偏差信号△P＝(P g—P F)↑→变频器输出频率f↑→电动机转速n↑→供水能力Q G↑→直至压力大小回复到目标值，供水能力与用水流量重新达到平衡(Q G=Q u)时为止。如果变频器输出已经达到水泵额定频率，且经过一定时间后管网压力仍小于设定值，说明只用一台水泵供水能力还不够，则通过PLC控制一号泵改为工频运行，接通二号泵并由变频器控制，使管网压力继续上升直到达到压力平衡。

当用水流量下降使压力升高时，通过PID调节器的调节作用使变频器输出频率降低，二号泵转速下降。即用水流量减小，使Q G＞Q u时，则P F↑→(P g-P F) ↓→f↓→n↓→Q G↓→Q G=Q u，又达到新的平衡。如果变频器输出频率下降到下限值，管网压力仍大于设定值，说明用不到两台泵同时工作，则通过PLC控制一号工频泵停止工作，剩下二号变频泵低速运行，维持管网压力。

当用水流量又增加使压力下降时，变频器输出频率又上升；如果输出频率达到额定，而管网压力仍小于设定值，则二号泵转为工频泵，接通三号泵并由变频器控制，使管网压力上升最终达到压力平衡。根据管网压力的变化，三台泵的工作状况可以轮流切换。

本系统的控制电路电气原理图如附图4-4所示。

电气原理图中所用元器件清单见表4-1

表4-1 元器件清单

2. 变频器

采用三菱公司风机、水泵专用型FR-F540系列变频器，容量11kW。由于采用外围PID调节器，因此对变频器性能要求不高，采用其它型号变频器均可。端子接线图如图4-5所示。参数设置见表4-2所示：表4-2 FR-F540系列变频器参数设置

注：其它参数为出厂设定值。

3. 数字式多功能PID调节器（PXR5）

该调节器系日本富士电气公司产品。它可以作为温度、压力、流量等控制仪。它具有使用方便、体积小(相当于一只中间继电器大小)、价格低和功能强等优点。

PXR5的各接线端子如图4-6所示，实际接线时，接线端子在调节器背面，通过螺钉与导线连接。

本实例中，在上图中确定电源端子11,12为100～240V AC；控制输出1端子31,32为电流输出；测量值输入端子35,36为电流/电压输入，并应在端子35,36之间并接250Ω电阻；报警AL1输出端子7,8为常开触点。据此，可画出PXR5与PLC、变频器之间的连接图如图4-7所示：

在图4-7中，管网压力通过压力变送器输出4-20mA电流信号送到PXR5的输入端，作为反馈值。压力变送器采用宝鸡华水自动化工程有限公司生产的HSA变频专用压力变送器，型号为PB-DA-2YA，量程为0～1.0MPa，输出信号为4～20mA。PB-DA-2Y系列产品是一种新型的压力变送器，广泛应用于冶金、

电力、自来水、化工和石油等工业现场，实现远程监控和控制。PB-DA-2Y系列产品采用德国AMG 公司传感器及专用变送器用集成电路，传感器部件为光刻箔式电阻应变计。它设计新颖独特，工艺先进，信号输出稳定，信号输出精度达1.0级，表面指针精度为1.6级。使用环境温度为-20℃～45℃，相对湿度不大于80%。仪表接线为三线制：黑色――电源正极；红色-－输出正极；兰色-公共负极。接头螺纹选用ZG1/2，与管道直接相接。该压力变送器外形如图4-8所示。本例中，压力变送器安装在水泵出水口的管道上，如图4-9所示。

图4-8 压力变送器外形图图4-9 压力变送器安装图

该调节器的参数分为三组，可以根据不同要求分别设置，这3组参数的分类及各参数的定义分别如表4-3、表4-4、表4-5所示。在需要设置其中的有关参数时，按住SEL键保持1秒（或2秒、3秒），就可分别进入第一组（或第二组、第三组）参数的设定状态，使用∧或∨键可以在本组参数中选择需要设置的参数并进行修改。当该组参数设置完成后，按SEL键2秒钟，就可返回工作状态，可继续进入其它参数组进行设置，也可保持在工作状态开始进行控制。

在本实例中，是将该调节器作为压力调节使用的，不需要较复杂的多段升温、保温的程序，只需使其进行简单的PID运算即可，因此需设置的参数不多。本例中所设置的参数如下：

（1）运行控制参数Stby（第一组）

参数Stby 可以使仪表在控制待机状态和控制运行状态（即工作状态）之间切换。设置STby=ON则为待机状态，此时可以进行参数设置，但控制和报警都无输出；Stby=OFF为运行状态，控制及报警功能正常进行。在此状态下也可通过SEL键进入参数设定状态。

（2）报警1动作值参数AL1、A1-L、A1-H（第一组）

这3个参数都是对报警1的动作值进行设置的。AL1是设定值；A1-L是报警1下限值；A1-H是报警1上限值。要根据所用的报警方式的不同，在这3个参数中进行选用。例如报警方式是高低限报警时，即测量值超出高限或低限要报警，在高、低限之间不报警，就要分别设置A1-H和A1-L；而若使用高（或低）报警方式，即测量值超出高限（或低限）时报警，低于高限（或高于低限）时不报警，就只要对AL1设置即可。本例中使用高报警方式，因此设置AL1=10，即压力测量值超出给定值10%时报警。

（3）控制方式参数CTrL（第二组）

可设置3种控制方式：PID控制、模糊控制及PID自整定方式。本例选用PID控制方式，因此设置CTrL=PID。

（4）输入信号代码P-n2（第二组）

PXR系列温度控制器允许使用热电阻或热电偶测量温度，也可直接输入1～5V直流电压或4～20mA 直流电流。各种不同的输入信号以不同的代码来表示，如表4-6所示。本例中用4～20mA直流电流输入，因此设置P-n2=16。

（5）小数点位置设定P-dP（第二组）

当输入类型设定为4～20mA电流后，仪表已规定显示形式为百分比，显示范围为0%～100%，即显示为0～100。显示1即代表4～20mA量程的1%。由于输入电流是由压力变送器输出的，压力变送器量程为0～1Mpa，对应输出4～20mA电流，则量程的1%就对应0.01Mpa。而压力值0.01Mpa近似为0.1kg/cm2，因此设置小数点位置为1位，即参数P-dP=1，这样当显示1%时显示的形式就变为0.1，可近似看作为0.1kg/cm2的压力值。

（6）设定报警1动作模式ALM1（第二组）

PXR5系列调节器具有31种报警方式，可通过对参数ALM1设置不同的报警代码来指定。各种报警动作的模式如表4-7和表4-7（续表）所示：

在表4-7中，报警代码分为标准报警代码和双报警代码。在标准报警代码中，报警动作的方式是当测量值超过参数AL1（在表32-7的作用图中以ALn 表示，n=1、2，本例所选型号只有1个报警，无AL2，故n 只能取1)的设定值时报警输出触点接通（绝对值报警模式）；或当测量值超过给定值SV 一定的偏差（偏差即参数AL1的设定值）时报警输出触点接通（偏差报警模式）。标准报警模式中只用到AL1一个参数。而在双报警代码中，报警动作的方式是当测量值超过高限或低限时或超出SV 的上、下偏差时报警触点动作，要用到参数A1-L 和A2-H 来分别设定低限（下偏差）和高限（上偏差）。本例采用的报警方式是上偏差报警，故设置参数ALM1=5。因设定AL1=10，所以本例中报警输出动作是在实际管网压力超出给定值SV 的10%时发生。

（7）P、I、D运算数值设置（第二组）

本调节器的主要任务是对管网压力进行PID控制，为了使压力的变化平稳，当用水量出现波动时调节器要及时作出响应，使管网压力尽快满足用水量的需要，同时又不能出现过大的超调量，因此要将P、

I、D参数设定为最佳状态。在设置PID参数时，需注意的是，在变频器中，内置PID调节功能的“P”

参数，是直接预置比例增益Kp。而在专用的PlD调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带”来进行调节的（PXR5中即是）。本实例中只使用PI控制，未使用微分控制，设置参数D=0，参数P和I 在调试中整定。

（8）SV设定范围Sv-L和Sv-H（第三组）

参数Sv-L和Sv-H分别用于指定给定值设置范围的下限和上限。当在参数P-n2中设定输入信号种类是4～20mA电流时，已规定SV和PV显示的单位是百分比，显示范围为0%～100%，因此Sv-L和Sv-H 的数值范围必须在0～100之间。本例要求压力值在0～1Mpa之间可任意给定，因此设置Sv-L=0，Sv-H=100，使SV设定范围为0%～100%。

4.PLC及控制程序的编写

（1）PLC的选用及输入/输出端口的分配

在本实例中，PLC用于对变频器的运行、停止进行控制，并负责三台电动机的切换。PLC选用三菱公司的FX系列，型号为FX2N-48MR，继电器输出，输入点24点，输出点24点。PLC的接线图参见附图4-4，其I/O分配表如表4-8所示：

表4-8 输入/输出分配表

（2）控制程序的分析

本例的梯形图如图4-10所示。

附：PLC控制系统设计的一般步骤

如图4-11所示，PLC控制系统的一般设计步骤可以分为以下几步：熟悉控制对象、PLC选型及确定硬件配置、设计PLC的外部接线、设计控制程序、程序调试和编制技术文件。