恒壓控制系統(tǒng)方法及變頻恒壓控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

孫潤喜

摘? 要：該文首先介紹了恒壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍;其次對恒壓控制系統(tǒng)的工作原理做了簡述，重點(diǎn)對恒壓控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行介紹：V/F控制、開環(huán)V/F控制、閉環(huán)V/F控制、PID控制原理、PID智能儀表配合變頻恒壓控制系統(tǒng)及觸摸屏和PLC配合變頻恒壓控制系統(tǒng);最后說明了變頻恒壓控制系統(tǒng)的優(yōu)勢：方便快捷、安全可靠、系統(tǒng)組網(wǎng)簡單及容易實(shí)現(xiàn)無人值守工作站，適用于物聯(lián)網(wǎng)和智慧工業(yè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：恒壓控制系統(tǒng)? 變頻器? 壓力變送器? PLC? 全閉環(huán)控制? PID控制

中圖分類號：TM921 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）05（c）-0035-03

Abstract： This paper first introduces the application range of the constant voltage control system; secondly， it briefly describes the working principle of the constant voltage control system; focuses on the control methods of the constant voltage control system：V/F control，open loop V/F control， closed-loop V/F control，PID control principle，PID intelligent instrument with variable frequency constant voltage control system and touch screen and PLC with variable frequency constant voltage control system; Finally， the advantages of variable frequency constant voltage control system are explained： convenient， fast and safe Reliable， simple system networking and easy to implement unattended workstations， suitable for the Internet of Things and smart industrial systems.

Key Words： Constant pressure control system; Inverter; Pressure transmitter; PLC; Full closed loop control; PID control

恒壓供水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于自來水廠、生活小區(qū)及消防供水，部分工業(yè)企業(yè)、生活、生產(chǎn)供水及企業(yè)自用水系統(tǒng)，污水處理、水景噴泉、排灌系統(tǒng)等;而恒壓注水主要應(yīng)用于油田、地?zé)嵩蠢脧U水回灌等行業(yè)。不論是供水控制系統(tǒng)還是注水控制系統(tǒng)，壓力穩(wěn)定是系統(tǒng)最主要控制對象;恒壓供水控制及恒壓注水系統(tǒng)是在變頻調(diào)速技術(shù)成熟后快速發(fā)展起來。變頻器的主要功能是調(diào)頻控制、調(diào)速控制、轉(zhuǎn)向控制、啟停控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓控制系統(tǒng)中，變頻器是主要的控制運(yùn)行電氣設(shè)備，為了保證管網(wǎng)壓力恒定，還需要安裝壓力控制器和壓力傳感器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)，同時節(jié)能效果顯著，國內(nèi)外許多生產(chǎn)廠家開發(fā)出帶恒壓控制功能的變頻器，方便用戶選擇。

1? 恒壓控制系統(tǒng)原理

在設(shè)備運(yùn)行中，由于負(fù)荷的變化，使管網(wǎng)壓力發(fā)生變化，通過壓力傳感器將壓力信號傳給運(yùn)行控制器，經(jīng)控制器與設(shè)定壓力進(jìn)行比較運(yùn)算后生成最佳控制信號，控制泵運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整管網(wǎng)流量使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值，滿足系統(tǒng)要求。

來此管網(wǎng)壓力信號，經(jīng)控制器判斷分析：若系統(tǒng)負(fù)荷不變，控制主泵系統(tǒng)處于休眠狀態(tài);若系統(tǒng)負(fù)荷很小，控制主泵系統(tǒng)處于低頻率運(yùn)行;若系統(tǒng)負(fù)荷很大，控制主泵系統(tǒng)處于高頻率運(yùn)行;使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，滿足控制系統(tǒng)要求。

恒壓控制系統(tǒng)能夠保持管網(wǎng)壓力的恒定，可使管網(wǎng)和負(fù)荷之間保持平衡，即負(fù)荷大時管網(wǎng)流量大壓力大，負(fù)荷小時管網(wǎng)流量小壓力小，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定和服務(wù)質(zhì)量。

2? 恒壓控制系統(tǒng)控制方法

恒壓控制系統(tǒng)從最開始的人工參與操作到目前全自動無人值守控制，發(fā)展速度很快，特別是恒壓變頻調(diào)速的應(yīng)用，使得恒壓控制系統(tǒng)變得非常方便簡單快捷，通過閉環(huán)PID調(diào)節(jié)更能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化控制;配合PLC及觸摸屏系統(tǒng)，自動化程度更高，可以實(shí)現(xiàn)無人值守控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 恒壓控制系統(tǒng)方法

（1）工頻水泵或者工頻軟啟動水泵配合管道閥門控制壓力。

管道閥門分為兩種：一種是手動閥門，另一種是電動閥門。手動閥門是通過人工操作控制閥門開度來實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)壓力和流量，在控制壓力變換不大或者系統(tǒng)負(fù)荷比較穩(wěn)定時采用;電動閥門是通過電動調(diào)節(jié)執(zhí)行器控制閥門開度，實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)壓力和流量控制，自動化程度高，控制精度好，在暖通系統(tǒng)及換熱系統(tǒng)中應(yīng)用得比較多。

（2）變頻恒壓控制系統(tǒng)。

變頻器工作原理：變頻器將輸入的50Hz交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源DC，然后經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為可變電壓及可變頻率輸出。變頻器能夠按照恒壓系統(tǒng)需要將0～50Hz的頻率信號提供給泵電機(jī)，調(diào)整其轉(zhuǎn)速。變頻器功能強(qiáng)大，參數(shù)功能豐富，有預(yù)編制好的功能宏應(yīng)用，使用時只需要設(shè)置少量幾個參數(shù)即可完成，其他參數(shù)默認(rèn)應(yīng)用宏的缺省值而不需要調(diào)整。如果系統(tǒng)采用PID控制的應(yīng)用宏，進(jìn)行閉環(huán)控制，則變頻器根據(jù)對應(yīng)的壓力設(shè)定值與從壓力傳感器獲得的反饋信號進(jìn)行比較運(yùn)算，利用PID控制宏自動調(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。

變頻器是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的常用的工業(yè)設(shè)備，主要是通過改變電機(jī)的電源輸出的大小和頻率。利用變頻器，可以實(shí)現(xiàn)被控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速、功率因素、過電流過電壓保護(hù)、過載保護(hù)等，從而更好地控制整個電機(jī)的運(yùn)作和運(yùn)行，提高電能的利用率和整個系統(tǒng)的工作效率。

2.2 變頻器用于控制電動機(jī)速度的方法

2.2.1 V/F控制

在電動機(jī)中，電動機(jī)定子中感應(yīng)的電壓與頻率和氣隙磁通量成正比。如果我們降低頻率保持電壓恒定，則氣隙通量會增加。因此要改變速度，我們必須保持V/F比不變。V/F控制技術(shù)具有低啟動電流和寬范圍速度等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 開環(huán)V/F控制

為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)速度響應(yīng)，開環(huán)V/F控制在工業(yè)中得到應(yīng)用。在該方法中，定子電壓和頻率同時變化。氣隙通量保持不變，V/F比保持不變。

2.2.3 閉環(huán)V/F控制

在閉環(huán)V/F控制中，應(yīng)用轉(zhuǎn)速傳感器，測量反饋電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)過與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，從而控制電壓與頻率比值得變化，保持V/F比恒定。

2.2.4 PID控制器能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)功能

PID控制原理：PID（proportion integration differentiation）其實(shí)就是指比例、積分、微分控制，其控制原理圖如圖1所示。

要維持輸出控制信號穩(wěn)定，必須使實(shí)際的運(yùn)行信號與預(yù)期的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，形成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制。

管路上安裝的壓力變送器，采樣管網(wǎng)系統(tǒng)壓力瞬時變化，作為反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果恒壓控制是非線性、大慣性的系統(tǒng)，適宜采用模糊控制和PID相結(jié)合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度;在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態(tài)精度。模糊控制可以通過PLC配合智能儀表實(shí)現(xiàn)，簡單方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

3? PID智能儀表配合變頻恒壓控制系統(tǒng)

管路壓力變送器連接PID智能儀表，反饋的實(shí)時壓力值傳送給PID智能儀表，與PID智能儀表設(shè)定值進(jìn)行PID運(yùn)算后輸出運(yùn)行控制信號，控制變頻器恒壓運(yùn)行。

4? 觸摸屏和PLC配合變頻恒壓控制系統(tǒng)

（1）基本工作原理。

系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過觸摸屏或者上位機(jī)界面設(shè)定所需壓力，當(dāng)壓力設(shè)定好后，根據(jù)變頻恒壓原理，利用安裝在管網(wǎng)輸出口的壓力變送器，對管網(wǎng)實(shí)時壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號送入PLC，與設(shè)定壓力進(jìn)行比較和運(yùn)算，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，送給變頻器，變頻器據(jù)此調(diào)節(jié)泵電機(jī)的電源頻率，進(jìn)而調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)中的壓力保持在設(shè)定壓力，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)組成及功能。

恒壓控制系統(tǒng)由泵及泵電機(jī)、PLC、變頻器、壓力傳感器、斷路器、接觸器、中間繼電器等組成;通過操作面板上的指示燈、觸摸屏監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，通過按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制器、智能儀表、PLC、變頻器等控制系統(tǒng)運(yùn)行;安裝在輸出管網(wǎng)上的壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為4～20mA或者0～10V的標(biāo)準(zhǔn)信號送入PLC，經(jīng)PID運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)管網(wǎng)系統(tǒng)流量，使系統(tǒng)管網(wǎng)壓力保持在給定壓力。當(dāng)負(fù)荷變化時，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化。這樣就構(gòu)成了以管網(wǎng)輸出壓力設(shè)定值為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（3）PLC與上位機(jī)的通信連接及程序設(shè)計(jì)。

工控機(jī)是上位機(jī)，PLC是下位機(jī);上位機(jī)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并把各傳感器反饋的信號實(shí)時采集到工控機(jī)處理并顯示，同時可對下位機(jī)的設(shè)定壓力值進(jìn)行調(diào)整;下位機(jī)對管網(wǎng)壓力控制，同時可接受上位機(jī)來的設(shè)定值，及時調(diào)整管路壓力。

（4）上位機(jī)界面應(yīng)用廠家組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，觸摸屏界面應(yīng)用廠家軟件進(jìn)行組態(tài)。

5? 變頻恒壓控制系統(tǒng)優(yōu)勢

近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，變頻恒壓控制系統(tǒng)顯著的節(jié)能效果和可靠穩(wěn)定的控制方式，在供水和注水系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。變頻恒壓控制系統(tǒng)對泵電機(jī)級調(diào)速，依據(jù)壓力變化經(jīng)過控制器或者上位機(jī)的運(yùn)算分析判斷給出控制信號，控制泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持系統(tǒng)壓力恒定，安全可靠，節(jié)能高效。與傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣壓罐等供水方式比較，不論是投資、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有一定的優(yōu)勢。

變頻恒壓控制系統(tǒng)同其他控制方式相比較，除了具有顯著的節(jié)能效果外，還有以下顯而易見的優(yōu)勢。

（1）恒壓控制技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速改變泵出口壓力，比單靠調(diào)節(jié)閥門的控制泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力、減少截流損失的效能。

（2）由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。

（3）泵電動機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機(jī)啟動時的電流沖擊，大大減輕了對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振，徹底消除水錘現(xiàn)象。

（4）實(shí)現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。

（5）恒壓自動控制系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，容易實(shí)現(xiàn)無人值守工作站。

6? 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步和新技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，變頻恒壓控制系統(tǒng)會更加完善，應(yīng)用會越來越廣泛，自動穩(wěn)定、安全可靠、環(huán)保節(jié)能的社會效益更加明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 高安邦，胡乃文.電氣控制綜合實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

[2] 高安邦，胡乃文，馬欣.通用變頻器應(yīng)用技術(shù)完全攻略[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[3] 劉金琨.智能控制[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[4] 周元鈞，孫靜.電力傳動與自動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.