一、概述

變頻器在恒壓供水行業(yè)的閉環(huán)控制應(yīng)用，就是我們簡稱的恒壓供水控制，恒壓供水的控制原理就是變頻器拖動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，控制水泵的轉(zhuǎn)速，改變水泵的壓力，在水泵的出水口加裝壓力傳感器，壓力傳感器反饋壓力至變頻器，實(shí)現(xiàn)在用水量大、管網(wǎng)壓力減小的時(shí)候，變頻器提高輸出頻率驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)高速運(yùn)行；在用水量小的時(shí)候，變頻器減小輸出頻率使水泵電機(jī)低速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程中的管網(wǎng)壓力恒定。對比傳統(tǒng)的控制模式，采用變頻恒壓供水在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)提高了供水的質(zhì)量。該控制系統(tǒng)中主要有三大元素：水泵，壓力傳感器，變頻器（內(nèi)含PID調(diào)節(jié)器），我們對這個(gè)三個(gè)要素簡單介紹以后，再進(jìn)行詳細(xì)介紹恒壓供水相關(guān)原理、接線、參數(shù)設(shè)置等。

二、恒壓供水環(huán)節(jié)核心部件介紹

1）水泵：水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械裝置。它將動(dòng)力裝置的機(jī)械能傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括水、油以及其他液體等等。

2）壓力反饋裝置介紹：變頻恒壓供水常見用來做壓力反饋的是遠(yuǎn)傳壓力表與壓力變送器。遠(yuǎn)傳壓力表主要由一個(gè)普通彈簧管壓力表和一組滑線電阻式發(fā)送器等組成，當(dāng)被測的水壓發(fā)生壓力變化時(shí)，彈簧管管端產(chǎn)生位移，該位移通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使指針在度盤上指示相應(yīng)的壓力值。

? 為了保證彈性元件能在彈性變形的安全范圍穩(wěn)定的工作，在選擇壓力表時(shí)必須根據(jù)被測壓力的大小選擇合適量程的壓力表，壓力表的上限值要高于生產(chǎn)中可能的最大壓力值，同時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)定最大工作壓力不超過測量上限值的2/3，被測量的最小值不低于壓力表量程的1/3，從而保證壓力表的輸出量與輸入量之間良好的線性關(guān)系，提高壓力表測量結(jié)果的精確度和靈敏度。

? 壓力表的主要技術(shù)指標(biāo)：

產(chǎn)品名稱：       遠(yuǎn)傳壓力表

產(chǎn)品型號(hào)：       YTZ-150

公稱直徑（mm）： φ150

精確度等級:        1.6

起始阻值:   大約3-20歐左右

滑動(dòng)變阻器電阻值:340-400歐左右

量程主要為1Mpa 、1.6Mpa、2.5Mpa。

工作電壓：小于等于6V

?因?yàn)檫h(yuǎn)傳壓力表工作電壓小于6V，變頻器控制端子模擬量的供電電壓為+10V，所以需要在串聯(lián)一個(gè)電阻進(jìn)行分壓確保壓力表正常工作。另外，在使用變頻器所提供的電源時(shí)需要避免負(fù)載電流超出電源的最大允許輸出電流（GT200變頻器+10V最大允許輸出電流為50mA；+24V最大允許輸出電流為200mA）。

3）壓力變送器是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓（0-5V、0-10V）、電流信號(hào)（4-20mA）輸出。常用的壓力傳感器供電范圍9-36V，12-36V，24V等等，壓力傳感器的接線一般有兩線制、三線制、四線制，其中兩線制在實(shí)際的應(yīng)用中最多。兩線制壓力變送器的輸出線一根接在電源的正極，另一根作為信號(hào)輸入線接入變頻器所能夠識(shí)別電流輸入信號(hào)的端口（GT200系列的AI1、AI2端口）。

4）壓力表管道安裝注意事項(xiàng)：管網(wǎng)壓力檢測裝置（遠(yuǎn)傳壓力表、壓力變送器）要裝在止回閥的前面（如下圖所示），這樣做的主要好處此處的壓力比較穩(wěn)定，渦流現(xiàn)象少，振動(dòng)小，能準(zhǔn)確的檢測水泵的壓力即使泵出水閥關(guān)掉也能顯示主管網(wǎng)的真實(shí)壓力；如果裝在止回閥后面，由于止回閥有一定的壓力損失，會(huì)導(dǎo)致水泵出口壓力檢測不準(zhǔn)確；同時(shí)，更嚴(yán)重的是在水泵停機(jī)的時(shí)候，無法獲知水泵的出口的管網(wǎng)壓力。

5）信號(hào)線走線注意事項(xiàng)：

?遠(yuǎn)傳壓力表與壓力變送器的信號(hào)線盡量選用屏蔽信號(hào)線，最好是具有屏蔽層的雙絞線。信號(hào)線的屏蔽層需要在變頻器端接地，可通過變頻器端的金屬線夾實(shí)現(xiàn)接地連接。信號(hào)線盡量貼近地面或者金屬平面走線。

? 由于電磁感應(yīng)噪聲，靜電感應(yīng)噪聲，噪聲在信號(hào)線中傳播導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作；信號(hào)線避免和動(dòng)力線平行走線并且盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線。如果信號(hào)線不可避免同動(dòng)力電纜交叉，建議以垂直方式交叉。

? 假如信號(hào)線與動(dòng)力線未使用屏蔽電纜，可分別將信號(hào)線和動(dòng)力電纜套入金屬管內(nèi)并接地，金屬管的間距大于20CM也可獲得較好的抗干擾效果。

三、恒壓供水接線以及參數(shù)設(shè)置

1）壓力表接線以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖1是易驅(qū)GT200系列變頻器與電阻式遠(yuǎn)傳壓力表的接法，常見的遠(yuǎn)傳壓力表有紅、黃、藍(lán)（綠）三根引線，紅線接變頻器控制板接線端子GND，黃線接AI1，藍(lán)（綠）線串聯(lián)電阻進(jìn)行分壓推薦阻值330-470Ω（盡量接近壓力表內(nèi)阻，2W以上）接+10V。

現(xiàn)場應(yīng)用參數(shù)設(shè)置舉例，壓力表量程1MPa,現(xiàn)場需求3.5公斤壓力（0.35MPa）

遠(yuǎn)傳壓力表量程X MPa，阻值400Ω，起始阻值20Ω，串聯(lián)電阻500Ω（2只1000Ω并聯(lián)）現(xiàn)場接線如上圖所示，采用變頻器+10V供電，則反饋信號(hào)同管網(wǎng)壓力的對應(yīng)關(guān)系為：

Y=10*(20+(P/X)*(400-20))/(400+500),如果我們使用的壓力表量程1MPa，那么關(guān)系式為：

Y=10*(20+(P/1)*(400-20))/(400+500)其中P的單位為MPa。

由以上對應(yīng)關(guān)系，可以將給定量同反饋值的對應(yīng)關(guān)系在下列參數(shù)中予以明確：

遠(yuǎn)傳壓力表量程X MPa，阻值340Ω，起始阻值3Ω，串聯(lián)電阻330Ω，現(xiàn)場接線如上圖所示，采用變頻器+10V供電，則反饋信號(hào)同管網(wǎng)壓力的對應(yīng)關(guān)系為：Y=10*(3+(P/X)*(340-3))/(340+330)如果我們使用的壓力表量程1.6MPa，那么關(guān)系式為：

Y=10*(3+(P/1.6)*(340-3))/(340+330)其中P的單位為MPa。

由以上對應(yīng)關(guān)系，可以將給定量同反饋值的對應(yīng)關(guān)系在下列參數(shù)中予以明確：

圖3是易驅(qū)GT200系列變頻器，使用兩線制壓力傳感器的接線，一根線接在變頻器的24V自帶電源，另一根線接在變頻器的模擬量輸入端AI2口，同時(shí)短接變頻器的GND與COM端子。

現(xiàn)場應(yīng)用參數(shù)設(shè)置舉例，壓力傳感器1MPa,現(xiàn)場需求3.5公斤壓力（0.35 MPa）

假設(shè)壓力傳感器量程為X MPa，輸出4～20mA信號(hào)，目標(biāo)壓力為 P MPa，F(xiàn)8.05設(shè)置為Y，現(xiàn)場接線如上圖所示，采用變頻器+24V供電，則反饋信號(hào)同管網(wǎng)壓力的對應(yīng)關(guān)系為：

I反饋值=P/X*16+4。 

?壓力表量程為1.0MPa，則關(guān)系式為：I反饋值=P/1*16+4。

?壓力表量程為1.6MPa，則關(guān)系式為：I反饋值=P/1.6*16+4。

?根據(jù)10V—20mA的對應(yīng)關(guān)系，則Y=I反饋值/2。

由以上對應(yīng)關(guān)系，可以將給定量同反饋值的對應(yīng)關(guān)系在下列參數(shù)中予以明確：

四、論述恒壓供水的整個(gè)過程

恒壓供水應(yīng)用中注意設(shè)定通道與反饋通道，兩者不能一樣。

變頻器上電以后，通過端子啟動(dòng)機(jī)器（DI1與COM閉合），機(jī)器頻率根據(jù)目前的實(shí)際壓力情況進(jìn)行增加，如果當(dāng)前實(shí)際壓力距離目標(biāo)壓力比較遠(yuǎn)，那么機(jī)器頻率快速增加到50Hz；如果機(jī)器管網(wǎng)目前壓力跟實(shí)際壓力比較接近，機(jī)器頻率緩慢增加，維持管網(wǎng)壓力的恒定。

恒壓供水調(diào)節(jié)，就是俗稱的PID調(diào)節(jié)，其中重要的三要素：P--比例增益，I—積分時(shí)間，D—微分時(shí)間。比例增益P是決定運(yùn)行偏差的響應(yīng)情況要素。如果提高增益，則響應(yīng)變快，但如果過度，則容易發(fā)生振動(dòng)。I作為參數(shù)表示積分時(shí)間，如果增大積分時(shí)間，則響應(yīng)緩慢。此外，對應(yīng)外力的反映也弱。如果減少積分時(shí)間，則響應(yīng)快，但如果過小，則對于外力的變化，變頻器的輸出會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。D運(yùn)行所決定的效果大小是作為參數(shù)表示微分時(shí)間。如果加大微分時(shí)間，則在產(chǎn)生偏差時(shí)會(huì)迅速衰減P運(yùn)行所造成的振動(dòng)。如果增加過大，則有時(shí)造成振動(dòng)增大。如果減小微分時(shí)間，則產(chǎn)生偏差時(shí)的時(shí)間作用減小。

管網(wǎng)實(shí)際壓力高于睡眠閾值以后，頻率下降，當(dāng)頻率下降至下限頻率F1.10，經(jīng)過經(jīng)過睡眠延遲時(shí)間，如果機(jī)器壓力還高于睡眠閾值，機(jī)器休眠（即零轉(zhuǎn)速運(yùn)行中），蘇醒就是實(shí)際壓力低于蘇醒閾值以后，經(jīng)過蘇醒延遲時(shí)間，如果壓力還低于蘇醒閾值，機(jī)器加速啟動(dòng)。

PI控制：僅用P運(yùn)行消除剩余的偏差，一般采用加I運(yùn)行的PI控制。這種PI控制，即使有目標(biāo)值變更和超常的紊亂，也總能將偏差處理為最小化。但是，如果將I運(yùn)行的積分時(shí)間延長，則對于變化的速度控制就會(huì)反應(yīng)緩慢。積分要素的比例非常大的負(fù)載，也可以單獨(dú)使用P運(yùn)行。

F8.12比例增益Kp、F8.13積分增益Ki，F(xiàn)8.43微分增益KD，這些參數(shù)就是PID里面的調(diào)節(jié)參數(shù)，在具體的分析PID前，舉一個(gè)生活中的例子，恒壓供水的目標(biāo)就是給一個(gè)水缸里面倒?jié)M水，P就相當(dāng)于一個(gè)大桶，I就相當(dāng)于一個(gè)小桶，如果把這個(gè)水缸的水倒?jié)M需要3.5大桶（這里我們定義只能一桶一桶的倒水，并且水缸不能溢水），那么我們通過大桶就不可能把水缸里面的水倒?jié)M，因?yàn)槲覀兊谷八粔颍顾耐八鸵绯鰜砹?，這就相當(dāng)于恒壓供水里面的震蕩，我們只能倒三大桶，再倒若干小桶，水缸才能倒?jié)M，通過這個(gè)例子，我們理解當(dāng)出現(xiàn)水壓不穩(wěn)定，管網(wǎng)壓力波動(dòng)大的時(shí)候，需要降低機(jī)器的比例增益Kp，但是降低Kp一般可以使系統(tǒng)波動(dòng)比較小，就像水缸通過大桶不能完全倒?jié)M一樣，并不能完全消除波動(dòng)，通過積分增益Ki的配合，就像小桶倒水一樣，可以使管網(wǎng)的壓力達(dá)到平衡，比例增益的調(diào)節(jié)主要是快速的調(diào)節(jié)，積分增益的調(diào)節(jié)主要是緩慢的調(diào)節(jié)。

五、現(xiàn)場應(yīng)用圖片

圖1

圖2

圖3