1、案例4.4_變頻水泵恒壓供水裝置1. 概況：近年來由于城市建設(shè)飛速發(fā)展，高層樓宇大量涌現(xiàn)，居民用水矛盾日益突出。如采用水箱供水存在水壓不穩(wěn)、二次污染和耗能等問題。隨著PLC控制和變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻恒壓供水逐步為大家認可。變頻恒壓供水目前國家尚無標準。因此變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成各不相同，一般按用戶要求進行生產(chǎn)。通?？刂撇捎肞LC, 調(diào)速采用變頻器, 用壓力變送器作為管網(wǎng)壓力采樣和反饋信號與壓力設(shè)定信號進行比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器運算，它的輸出作為變頻器頻率給定，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力維持恒定。一臺變頻器可以控制二臺或多臺水泵。在本實例中，因考慮到本系統(tǒng)的使用環(huán)境是居民大樓，用水量需根據(jù)

2、季節(jié)變換和氣溫變化經(jīng)常要進行調(diào)整。而控制室為無人值守，操作者是一般物業(yè)人員，要求系統(tǒng)工作可靠，操作簡單。因此對系統(tǒng)的總體設(shè)計中采用PLC來對水泵的開、關(guān)和切換進行控制及對故障進行處理；使用PID調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)閉環(huán)控制，而水泵的驅(qū)動則采用變頻器，變頻器工作在開環(huán)運行狀態(tài)，由PID調(diào)節(jié)器的輸出（420mA電流）作為變頻器的頻率給定信號。供水管網(wǎng)中的壓力則通過壓力變送器轉(zhuǎn)換為420mA的電流信號反饋到PID調(diào)節(jié)器。壓力給定信號在調(diào)節(jié)器面板中以鍵盤設(shè)置。系統(tǒng)的控制方框圖如圖4-1所示。水泵房的現(xiàn)場照片和控制柜外形照片分別見圖4-2和圖4-3，圖4-2 水泵房現(xiàn)場照片圖4-3 恒壓供水系統(tǒng)電氣控制柜外形圖

3、本系統(tǒng)在正常工作時只須二臺泵，另一臺作為備用泵?？紤]到三臺泵應(yīng)均衡使用，故不設(shè)備用泵，而改為三臺泵輪流工作制。如大樓居民用水流量少時，用一號泵作變頻運行,電動機低速運行。當用水流量增加造成管網(wǎng)壓力降低，壓力變送器輸出信號減小，使PID調(diào)節(jié)器輸出信號增加，從而使變頻器輸出頻率增加，使電動機升速,管網(wǎng)壓力隨之增加。PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓力的過程如下：PID調(diào)節(jié)器的給定量Pg恒定，當用水流量增加時，供水能力QG小于用水流量Qu，則壓力降低，壓力反饋信號PF偏差信號P(PgPF)變頻器輸出頻率f電動機轉(zhuǎn)速n供水能力QG直至壓力大小回復(fù)到目標值，供水能力與用水流量重新達到平衡(QG=Qu)時為止。如果變頻器

4、輸出已經(jīng)達到水泵額定頻率，且經(jīng)過一定時間后管網(wǎng)壓力仍小于設(shè)定值，說明只用一臺水泵供水能力還不夠，則通過PLC控制一號泵改為工頻運行，接通二號泵并由變頻器控制，使管網(wǎng)壓力繼續(xù)上升直到達到壓力平衡。當用水流量下降使壓力升高時，通過PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使變頻器輸出頻率降低，二號泵轉(zhuǎn)速下降。即用水流量減小，使QGQu時，則PF(Pg-PF) fnQGQG=Qu，又達到新的平衡。如果變頻器輸出頻率下降到下限值，管網(wǎng)壓力仍大于設(shè)定值，說明用不到兩臺泵同時工作，則通過PLC控制一號工頻泵停止工作，剩下二號變頻泵低速運行，維持管網(wǎng)壓力。當用水流量又增加使壓力下降時，變頻器輸出頻率又上升；如果輸出頻率達到額定

5、，而管網(wǎng)壓力仍小于設(shè)定值，則二號泵轉(zhuǎn)為工頻泵，接通三號泵并由變頻器控制，使管網(wǎng)壓力上升最終達到壓力平衡。根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化，三臺泵的工作狀況可以輪流切換。本系統(tǒng)的控制電路電氣原理圖如附圖4-4所示。附圖4-4 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路電氣原理圖電氣原理圖中所用元器件清單見表4-1表4-1 元器件清單序號元件代號元件名稱型號規(guī)格1PLC可編程控制器三菱FX2N-48MR2FR-F540三菱變頻器三菱FR-540-11K3A1數(shù)字式壓力控制表FUJI PXR54PB-DA-2Y壓力變送器HSA PB-DA-2YA輸出4-20mA5DC穩(wěn)壓器AC220V/DC24V6SB1啟動按鈕7SB2停止按鈕8

6、S02手動/自動選擇開關(guān)9QF1QF3，QF10斷路器10KM1KM3,KM10KM13接觸器11KA1變頻器起停繼電器12FR1,FR2,FR3熱繼電器13FU1FU4熔斷器14HL1,HL2,HL3HL11,HL12,HL13HL17HL18泵1泵3變頻指示燈泵1泵3工頻指示燈變頻故障指示燈電機故障指示燈15HA變頻故障蜂鳴器16SA1、SA2、SA3檢修選擇按鈕17S01檢修開關(guān)18DY1,DY2,DY3水泵電動機Y132M-4B,7.5kW/15.4A/380v/1440rpm19離心清水泵65DL4 揚程46m/流量30m3/h2. 變頻器采用三菱公司風機、水泵專用型FR-F540系

7、列變頻器，容量11kW。由于采用外圍PID調(diào)節(jié)器，因此對變頻器性能要求不高，采用其它型號變頻器均可。端子接線圖如圖4-5所示。參數(shù)設(shè)置見表4-2所示： 表4-2FR-F540系列變頻器參數(shù)設(shè)置功能參數(shù)號名稱設(shè)定范圍設(shè)定值基本功能1上限頻率0-120Hz50HZ2下限頻率0-120Hz15HZ3基底頻率0-400Hz48Hz7加速時間0-360S10S8減速時間0-360S10S標準運行功能13起動頻率0-60Hz0.5Hz輸出功能41頻率到達動作范圍0-100%100%42輸出頻率檢測0-400Hz15HZ顯示功能55頻率監(jiān)視基準0-400Hz50HZ電機參數(shù)80電機容量0-55KW7.5KW

8、81電機極數(shù)2.4.6.8.12.16483電機額定電壓0-1000V380V84電機額定頻率50-120Hz50HZ子功能158AM端子功能選擇0,1,2,5,6,8,10-14,17,211端子安排功能195ABC端子功能選擇0-5,8,10,11,13-19,25,26,98-105,108,110,111,113-116125,126,198,199,999999校準功能904頻率設(shè)定電流偏置0-20mA0-60Hz4mA0Hz905頻率設(shè)定電流增益0-20mA1-400Hz20mA50Hz注 ：其它參數(shù)為出廠設(shè)定值。3. 數(shù)字式多功能PID調(diào)節(jié)器（PXR5）該調(diào)節(jié)器系日本富士電氣公司

9、產(chǎn)品。它可以作為溫度、壓力、流量等控制儀。它具有使用方便、體積小(相當于一只中間繼電器大小)、價格低和功能強等優(yōu)點。PXR5的各接線端子如圖4-6所示，實際接線時，接線端子在調(diào)節(jié)器背面，通過螺釘與導(dǎo)線連接。本實例中，在上圖中確定電源端子11,12為100240VAC；控制輸出1端子31,32為電流輸出；測量值輸入端子35,36為電流/電壓輸入，并應(yīng)在端子35,36之間并接250電阻；報警AL1輸出端子7,8為常開觸點。據(jù)此，可畫出PXR5與PLC、變頻器之間的連接圖如圖4-7所示：在圖4-7中，管網(wǎng)壓力通過壓力變送器輸出4-20mA電流信號送到PXR5的輸入端，作為反饋值。壓力變送器采用寶雞華

10、水自動化工程有限公司生產(chǎn)的HSA變頻專用壓力變送器，型號為PB-DA-2YA，量程為01.0MPa，輸出信號為420mA。PB-DA-2Y系列產(chǎn)品是一種新型的壓力變送器，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、自來水、化工和石油等工業(yè)現(xiàn)場，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。PB-DA-2Y系列產(chǎn)品采用德國 AMG 公司傳感器及專用變送器用集成電路，傳感器部件為光刻箔式電阻應(yīng)變計。它設(shè)計新穎獨特，工藝先進，信號輸出穩(wěn)定，信號輸出精度達1.0級，表面指針精度為1.6級。使用環(huán)境溫度為-2045，相對濕度不大于80%。儀表接線為三線制：黑色電源正極；紅色-輸出正極；蘭色-公共負極。接頭螺紋選用ZG1/2，與管道直接相接。該壓力變送

11、器外形如圖4-8所示。本例中，壓力變送器安裝在水泵出水口的管道上，如圖4-9所示。圖4-8 壓力變送器外形圖圖4-9 壓力變送器安裝圖該調(diào)節(jié)器的參數(shù)分為三組，可以根據(jù)不同要求分別設(shè)置，這3組參數(shù)的分類及各參數(shù)的定義分別如表4-3、表4-4、表4-5所示。在需要設(shè)置其中的有關(guān)參數(shù)時，按住SEL鍵保持1秒（或2秒、3秒），就可分別進入第一組（或第二組、第三組）參數(shù)的設(shè)定狀態(tài)，使用或鍵可以在本組參數(shù)中選擇需要設(shè)置的參數(shù)并進行修改。當該組參數(shù)設(shè)置完成后，按SEL鍵2秒鐘，就可返回工作狀態(tài)，可繼續(xù)進入其它參數(shù)組進行設(shè)置，也可保持在工作狀態(tài)開始進行控制。在本實例中，是將該調(diào)節(jié)器作為壓力調(diào)節(jié)使用的，不需要較

12、復(fù)雜的多段升溫、保溫的程序，只需使其進行簡單的PID運算即可，因此需設(shè)置的參數(shù)不多。本例中所設(shè)置的參數(shù)如下：（1）運行控制參數(shù)Stby（第一組）參數(shù)Stby 可以使儀表在控制待機狀態(tài)和控制運行狀態(tài)（即工作狀態(tài)）之間切換。設(shè)置STby=ON則為待機狀態(tài)，此時可以進行參數(shù)設(shè)置，但控制和報警都無輸出；Stby=OFF為運行狀態(tài)，控制及報警功能正常進行。在此狀態(tài)下也可通過SEL鍵進入?yún)?shù)設(shè)定狀態(tài)。（2）報警1動作值參數(shù)AL1、A1-L、A1-H（第一組）這3個參數(shù)都是對報警1的動作值進行設(shè)置的。AL1是設(shè)定值；A1-L是報警1下限值；A1-H是報警1上限值。要根據(jù)所用的報警方式的不同，在這3個參數(shù)中進

13、行選用。例如報警方式是高低限報警時，即測量值超出高限或低限要報警，在高、低限之間不報警，就要分別設(shè)置A1-H和A1-L；而若使用高（或低）報警方式，即測量值超出高限（或低限）時報警，低于高限（或高于低限）時不報警，就只要對AL1設(shè)置即可。本例中使用高報警方式，因此設(shè)置AL1=10，即壓力測量值超出給定值10%時報警。（3）控制方式參數(shù)CTrL（第二組）可設(shè)置3種控制方式：PID控制、模糊控制及PID自整定方式。本例選用PID控制方式，因此設(shè)置CTrL=PID。（4）輸入信號代碼P-n2（第二組）PXR系列溫度控制器允許使用熱電阻或熱電偶測量溫度，也可直接輸入15V直流電壓或420mA直流電流。

14、各種不同的輸入信號以不同的代碼來表示，如表4-6所示。本例中用420mA直流電流輸入，因此設(shè)置P-n2=16。表4-6 輸入信號代碼表輸入信號輸入量程（）輸入量程（）代碼（P-n2）電阻測溫包Pt1000150323021Pt1000300325721Pt1000500329321Pt10006003211121Pt100-50100-582121Pt100-100200-1483921Pt100-150600-23811121Pt100-150850-23815621熱電偶J0400327522J08003214722K0400327523K08003214723K012003221923R

15、016003229124B018003232725S016003229126T-199200-3283927T-150400-2387527E08003214728E-199800-32814728N0130032237212PL20130032237213DC電壓刻度范圍：-199999991615V DCDC電流對電流輸入，應(yīng)并接250電阻，等效轉(zhuǎn)換為15VDC輸入420mA DC（5）小數(shù)點位置設(shè)定P-dP（第二組）當輸入類型設(shè)定為420mA電流后，儀表已規(guī)定顯示形式為百分比，顯示范圍為0%100%，即顯示為0100。顯示1即代表420mA量程的1%。由于輸入電流是由壓力變送器輸出的，壓

16、力變送器量程為01Mpa，對應(yīng)輸出420mA電流，則量程的1%就對應(yīng)0.01Mpa。而壓力值0.01Mpa近似為0.1kg/cm2，因此設(shè)置小數(shù)點位置為1位，即參數(shù)P-dP=1，這樣當顯示1%時顯示的形式就變?yōu)?.1，可近似看作為0.1kg/cm2的壓力值。（6）設(shè)定報警1動作模式ALM1（第二組）PXR5系列調(diào)節(jié)器具有31種報警方式，可通過對參數(shù)ALM1設(shè)置不同的報警代碼來指定。各種報警動作的模式如表4-7和表4-7（續(xù)表）所示：13在表4-7中，報警代碼分為標準報警代碼和雙報警代碼。在標準報警代碼中，報警動作的方式是當測量值超過參數(shù)AL1（在表32-7的作用圖中以ALn表示，n=1、2，本

17、例所選型號只有1個報警，無AL2，故n只能取1)的設(shè)定值時報警輸出觸點接通（絕對值報警模式）；或當測量值超過給定值SV一定的偏差（偏差即參數(shù)AL1的設(shè)定值）時報警輸出觸點接通（偏差報警模式）。標準報警模式中只用到AL1一個參數(shù)。而在雙報警代碼中，報警動作的方式是當測量值超過高限或低限時或超出SV的上、下偏差時報警觸點動作，要用到參數(shù)A1-L和A2-H來分別設(shè)定低限（下偏差）和高限（上偏差）。本例采用的報警方式是上偏差報警，故設(shè)置參數(shù)ALM1=5。因設(shè)定AL1=10，所以本例中報警輸出動作是在實際管網(wǎng)壓力超出給定值SV的10%時發(fā)生。（7）P、I、D運算數(shù)值設(shè)置（第二組）本調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是對管

18、網(wǎng)壓力進行PID控制，為了使壓力的變化平穩(wěn)，當用水量出現(xiàn)波動時調(diào)節(jié)器要及時作出響應(yīng)，使管網(wǎng)壓力盡快滿足用水量的需要，同時又不能出現(xiàn)過大的超調(diào)量，因此要將P、I、D參數(shù)設(shè)定為最佳狀態(tài)。在設(shè)置PID參數(shù)時，需注意的是，在變頻器中，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能的“P”參數(shù)，是直接預(yù)置比例增益Kp。而在專用的PlD調(diào)節(jié)器中，比例增益的大小常常是通過“比例帶”來進行調(diào)節(jié)的（PXR5中即是）。本實例中只使用PI控制，未使用微分控制，設(shè)置參數(shù)D=0，參數(shù)P和I在調(diào)試中整定。（8）SV設(shè)定范圍Sv-L和Sv-H（第三組）參數(shù)Sv-L和Sv-H分別用于指定給定值設(shè)置范圍的下限和上限。當在參數(shù)P-n2中設(shè)定輸入信號種類是420mA電流時，已規(guī)定SV和PV顯示的單位是百分比，顯示范圍為0%100%，因此Sv-