變頻器在恒壓供水行業(yè)的閉環(huán)控制應(yīng)用，就是人們簡稱的恒壓供水控制，恒壓供水的控制原理是變頻器拖動水泵轉(zhuǎn)動，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)壓力減小的時候，變頻器提高輸出頻率，驅(qū)動水泵電機(jī)高速運(yùn)行;在用水量小的時候，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)能的同時提高了供水質(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)，本文將對這三大要素做簡單介紹，并介紹恒壓供水的相關(guān)原理、接線注意事項(xiàng)以及參數(shù)設(shè)置等。

　　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：變頻恒壓供水系統(tǒng)中，常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，彈簧管管端產(chǎn)生位移， 該位移通過傳動機(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，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)有： 產(chǎn)品名稱： 遠(yuǎn)傳壓力表

　　產(chǎn)品型號： 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, 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)。

圖 1 壓力表

　　(3)壓力變送器能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓(0-5V、0-10V)、電流信號(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，另一根作為信號輸入線接入變頻器所能夠識別電流輸入信號的端口(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(如圖2所示)，這樣做的主要好處是此處的壓力比較穩(wěn)定，渦流現(xiàn)象少，振動小，能準(zhǔn)確地檢測水泵的壓力，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，會導(dǎo)致水泵出口壓力檢測不準(zhǔn)確; 同時，更嚴(yán)重的是在水泵停機(jī)的時候，無法獲知水泵的出口的管網(wǎng)壓力。

圖 2 壓力表管道安裝

　　(5)信號線走線注意事項(xiàng)：

　　? 遠(yuǎn)傳壓力表與壓力變送器的信號線盡量選用屏蔽信號線，最好是具有屏蔽層的雙絞線。信號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，噪聲在信號線中傳播導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生誤動作;信號線避免和動力線平行走線， 并且盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線。如果信號線不可避免同動力電纜交叉，建議以垂直方式交叉;

　　? 假如信號線與動力線未使用屏蔽電纜，可分別將信號線和動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。

　　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3是易驅(qū)GT200系列變頻器與電阻式遠(yuǎn)傳壓力表的接法方式，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。

圖 3 易驅(qū) GT200 系列變頻器與電阻式遠(yuǎn)傳壓力表的接法方式

　　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XMPa，阻值400Ω，起始阻值20Ω，串聯(lián)電阻500Ω(2只1000Ω并聯(lián))現(xiàn)場接線如圖3所示，采用變頻器+10V供電，則反饋信號同管網(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XMPa，阻值340Ω，起始阻值3Ω， 串聯(lián)電阻330Ω，現(xiàn)場接線如圖3所示，采用變頻器+10V供電，則反饋信號同管網(wǎng)壓力的對應(yīng)關(guān)系為：Y=10*(3+(P/ X)*(3 4 0 -3 ))/ (3 4 0 +3 3 0 )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4是易驅(qū)GT200系列變頻器使用兩線制壓力傳感器的接線方式，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，同時短接變頻器的GND與COM端子。

　　圖 4 易驅(qū) GT200 系列變頻器使用兩線制壓力傳感器的接線方式

　　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XMPa，輸出4～20mA信號，目標(biāo)壓力為 P MPa，F(xiàn)8.05設(shè)置為Y，現(xiàn)場接線如圖4所示，采用變頻器+24V供電，則反饋信號同管網(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：

　　論述恒壓供水的整個過程

　　恒壓供水應(yīng)用中要注意設(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)，其中重要的三要素是：P-比例增益，I-積分時間，D-微分時間。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。I作為參數(shù)表示積分時間，如果增大積分時間，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，變頻器的輸出會產(chǎn)生振動。D運(yùn)行所決定的效果大小是作為參數(shù)表示微分時間。如果加大微分時間，則在產(chǎn)生偏差時會迅速衰減P運(yùn)行所造成的振動。如果增加過大，則有時造成振動增大。如果減小微分時間，則產(chǎn)生偏差時的時間作用減小。

　　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)過睡眠延遲時間，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)過蘇醒延遲時間，如果壓力還低于蘇醒閾值，機(jī)器加速啟動。

　　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)行的積分時間延長，則對于變化的速度控制就會反應(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。

　　現(xiàn)場應(yīng)用圖片

　　易驅(qū) GT200 系列變頻器

　　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，舉一個生活中的例子，恒壓供水的目標(biāo)就像給一個水缸里面倒?jié)M水，P就相當(dāng)于一個大桶，I就相當(dāng)于一個小桶，如果把這個水缸的水倒?jié)M需要3.5大桶(這里我們定義為只能一桶一桶地倒水，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?，倒四桶水就溢出來了，這就相當(dāng)于恒壓供水里面的震蕩，只能倒三大桶，再倒若干小桶，水缸才能倒?jié)M。通過這個例子，就可以理解當(dāng)出現(xiàn)水壓不穩(wěn)定、管網(wǎng)壓力波動大的時候，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，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)。