西门子MM440变频器在恒压供水上的应用

    在实际的生产、生活中，用户用水的多少是经常变动的，因此，供水不足或供水过剩的情况时有发生。用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。    恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出水口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛的应用，利用内部包含用PID调节器、单片机、PLC等器件有机结合的供水专用变频器构成控制系统，调节水泵输出流量，以实现恒压供水。    水泵属于二次方律负载，实施变频调速后的供水系统，节能效果十分明显。同时，供水系统采用变频调速后，还能彻底消除水锤效应，使水泵轴承受磨损和叶片承受的应力减小，大大延长水泵寿命。当今变频调速恒压供水系统（包括楼层恒压供水和自来水厂的恒压供水）已经为广大用户所接受，应用最为普遍。    1．恒压供水的控制原理    对供水系统进行的控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。如上所述，流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（用流量QG表示）和用水流量（用Qu表示）之间的平衡情况有关：    如供水能力QG>用水流量Qu，则压力上升（P↑）；    如供水能力QG<用水流量Qu，则压力下降(P↓)；    如供水能力QG=用水流量Qu，则压力不变（P=常数）。    这里所说的供水能力，是指水泵能够提供的流量，故用流量符号QG来表示，其大小取决于水泵的泵水能力及管道的管阻情况；而用水流量Qu则是用户实际使用的流量，取决于用户。由于在同一个管道里，流量具有连续性，并不存在“供水流量”与“用水流量”的差别。因此，供水能力与用水流量之间的差异具体反映在流体压力的变化上，从而压力成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。    2．恒压供水的变频调速    2.1 节能分析    根据离心泵的负载工作原理可知以下结论。    流量与转速成正比：Q∝n。    转矩与转速的二次方成芷比：T∝n2。    功率与转速的三次方成正比：T∝n3。    某变频调速恒压供水控制系统运行时，测得并计算的相关数据见表6-6。    以电动机消耗的视在功率作为水泵消耗的功率。由表6-6可知，随着变频器输出频率的降低，水泵（电动机）的转速亦相应降低[n=60/(1-s)/p]，而水泵所消耗的功率也相应地大幅度降低。例如表6-6中，当变频器输出频率为f=51. 64Hz时，水泵消耗的功率为1411. 32V·A;当变频器输出频率为f=26. 73Hz时，水泵消耗的功率为174. 59V·A，转速降低为原来的1/2左右，水泵消耗的功率降为原来的1/8左右(1411. 32/8=176. 415V·A)。    表6-6    电动机运行频率与功率关系
    根据理论，水泵消耗的功率与其转速的三次方成正比。如今频率由f1=51. 64Hz降为f2=26.73Hz，水泵（电动机）的转速[n=60f（1-s）/p]降为原来的1/2左右，因此水泵消耗的功率应该为原来的1/8左右。上面的实测结果和理论相符，实现了节能。    2.2 消除水锤效应    (1)水锤效应    异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间较短。这意味着水的流量从零猛增到额定流量。由于水流具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。    水锤效应具有极大的破坏性：压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。    在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止，这也同样会引起压力冲击和水锤效应。    (2)水锤效应的消除    采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小。在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。    (3)延长水泵寿命    水锤效应的消除，使得水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小，从而叶片承受的应力大为减小，轴承的磨损也大为减小。    所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。    3．恒压供水系统的构成    (1)恒压供水系统框图    如图6-25所示，变频器有两个控制信号。
    图6-25    恒压供水系统框图    ①目标信号PS该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。西门子MM440目标信号可由键盘直接给定，也可以通过外接电位器来给定。    ②反馈信号PV是压力变送器PS反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。    ③目标信号的确定  目标信号的大小除了和所要求的压力的控制目标有关外，还和压力变送器PS的量程有关。举例说明如下：设用户要求的供水压力为0.4MPa，压力变送器PS的量程为0～1MPa，则目标值应设定为40%。    (2)系统的工作过程    现代的变频器一般都具有PID调节功能，其内部的框图如图6-26所示，SP和PV两者是相减的，其合成信号MV= (SP-PV)，经过PID调节处理后得到频率给定信号，决定变频器的输出频率。当用水流量减小时，供水能力QG>用水流量Qu，则供水压力上升，PV↑，合成信号(SP-PV)↓，变频器输出频率f↓，电动机转速n↓，供水能力QG↓直至压力大小回复到目标值，供水能力与用水流量重新平衡(QG=Qu)时为止；反之，当用水流量增加，使QG<Qu时，则PV↓→MV= (SP-PV)↑→f↑→n↑→QG↑→QG=Qu，又达到新的平衡。
    图6-26    变频器PID调节功能    (3)常见的压力变送器    ①压力传感器其输出信号是随压力而变的电压或电流信号，如图6-27 (a)所示。当距离较远时，应取电流信号，以消除因线路压降引起的误差，通常取4～20mA，以区别零信号和无信号。    ②远传压力表其基本结构是在压力表的指针轴上附加了一个能够带动电位器的滑动触点的装置，如图6-27(b)所示。从电路器件的角度看，实际上是一个电阻值随压力而变的电位器。使用时，远传压力表的价格较低廉，但由于电位器的滑动点总在一个地方摩擦，故寿命较短。
    图6-27    常见的压力变送器接线图    4．变频恒压供水设计及参数    (1)变频恒压供水PI框图    要使供水系统稳定，必须由PID调节。其中，P为比例调节；I为积分调节；D为微分调节。供水系统压力要求不是很精确，故只要PI调节即可，变频恒压供水PI框图及主要参数如图6-28所示。
    图6-28    变频恒压供水PI框图    (2)设置参数    ①控制参数的设置。    P0003=3（专家级）；    P0004=0（显示全部参数）；    P0700=2（命令由端子输入）；    P0701=1（由端子DIN1控制变频器的启停）；    P1000=1（频率设定由面板设置）；    P1080=20（下限频率）；    P1082=50（上限频率）；    P2200=1（PID功能有效）。    ②目标参数设置。    P2253=2250（面板键盘设定目标值）；    P2240=7（目标值设定为70%）；    P2257=1(设定值上升时间为1s)；    P2258=1(设定值下降时间为1s)。    ③反馈参数设置。    P2264=755.0（反馈通道由AIN1端子输入）；    P2265=0（反馈无滤波）；    P2267=100（反馈号的上限为100%）；    P2268=0（反馈信号的下限为0）；    P2269=100（反馈信号的增益是100%）；    P2271=0（反馈形式是正常）。    ④PI参数的设置（可根据实际设备情况调整）。    P2280=10（比例系数）；    P2285=5（积分时间）；    P2291=100 (PID输出上限是100%)；    P2292=0 (PID输出下限)。    5．“一拖多”变频供水系统    “一拖多”变频供水控制方案是多泵单变频恒压供水。这种多台泵调速的方式，由系统通过计算判定目前是否已达到设定压力，决定是否增加（投入）或减少（撤出）水泵。即当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将此台泵切换到工频运行，变频器将自动启动第二台水泵，控制其变频运行。此后，如压力仍然达不到要求，则将该泵又切换至工频，变频器启动第三台泵，直到满足设定压力要求为止（最多可控制六台水泵）。反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变频泵转速降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或变频泵，始终使管网水压保持恒定。    由于“一拖多”变频恒压供水系统需要涉及压力PID控制、工频和变频的逻辑切换、轮换控制、巡检控制等功能，所以需要由专门的程序控制来实现。目前流行的“一拖多”变频供水系统主要有以下三种方式：微机控制变频恒压供水系统、PLC控制变频恒压供水系统、供水专用变频器型供水系统。    (1)微机控制变频恒压供水系统    此系统以多台水泵并联供水，系统设定一个恒定的压力值，当用水量变化而产生管网压力的变化时，通过远传压力表，将管网压力反馈给PI控制器，通过PI控制器调整变频器的输出频率，调节泵的转速以保持恒压供水；如不能满足供水要求时，则变频器将控制多台变频泵和工频泵的启停而达到恒压变频供水。微机控制变频恒压供水系统如图6-29所示。    (2) PLC控制变频恒压供水系统    PLC控制的恒压变频供水系统与微机控制器类似，所不同的是PLC除了完成供水控制外，还可以完成其他的特殊功能，具有更大的灵活性。
    图6-29    微机控制变频恒压供水系统    (3)供水专用变频器供水系统    针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂商近年来纷纷推出了一系列新型产品，例如西门子的MM440变频器、采用供水专用的变频器，不需另外配置供水系统的控制，就可完成对由2～6台水泵组成的供水系统的控制，使用相当方便。供水专用变频器相当于普通变频器加PLC，是集供水控制和供水管理一体化的系统，其内置供水专用PID调节器，只需加一个压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统，传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口。而压力设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入。这些产品将PID调节器及简易的可编程序控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的供水专用变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。    西门子的MM440变频器供水框图如图6-30所示。    6．MM440变频器“一拖多”恒压供水系统    (1)“一拖多”恒压供水系统组成    MM440是通用变频器，它内部没有逻辑控制能力，必须增加具有逻辑切换功能的控制器，才能实现多泵的切换，切换控制一般由PLC控制实现。而增加（投入）或减少（撤出）水泵的信号则由变频器数字（继电器）输出提供。MM440有三个数字（继电器）输出。    图6-31所示的系统为一拖四的异步切换主电路。变频器MM440通过接触器S11、S21、S31、S41分别控制四台电动机；同时，接触器S12、S22、S32、S42又分别将四台电动机连接至主电网。变频器可以对四台电动机中的任一台实行软启动，在启动到额定转速后将其切换到主电源。接触器全部由PLC程序控制。以电动机M1为例，首先将S11闭合，M1由变频器控制调速，若水压低于设定的目标值，则电动机转速提升以提升压力；当电动机到达50Hz同步转速时，变频器MM440内部输出继电器1动作，送出一个开关信号给PLC，由PLC S11断开，S12吸合，电动机M1转由电网供电，以此类推。如果某台电动机需要调速，则可安排到最后启动，不再切换至电网供电，而由变频器驱动调速。若此时水压高于设定的目标值，则电动机转速降低以降低压力；当电动机到达下限转速时，变频器MM440内部输出继电器2动作，送出一个开关信号给PLC，由PLC控制S12断开，直接停止电动机M1。可采用先启先停的做法，让每台电动机的运行时间大略相等。
    图6-30    MM440变频器供水框图
    图6-31    变频器一拖四异步切换系统控制    在系统的切换中，对变频器的保护是切换控制可靠运行的关键。系统中可采用硬件和软件的双重连锁保护。启动过程中，必须保证每台电动机由零功率开始升速。为减少电流冲击，必须在达到50Hz时才可切换至电网。S11断开前，必须首先保证变频器没有输出，S11断开后，才能闭合S12，S11和S12不可同时闭合。PLC控制程序必须有软件联锁。    (2)数字输出参数设置    “一拖多”恒压供水系统加泵的关键是变频器在输出频率为50Hz时，能送出一个信号给PLC，故只需设置继电器1在变频器输出频率为50Hz时动作，使“19-20”闭合即可。而减泵的关键是变频器在输出频率为下限时，能送出一个信号给PLC，只需设置继电器2在变频器输出频率为下限(P1080)时动作，使“21-22”闭合即可。P0731= 53.4（变频器实际频率大于门限频率fi时继电器1闭合），P0732=53.2（变频器实际频率低于下限频率P1080时继电器2闭合），P0748=0（数字输出不反相），P2155=50Hz（门限频率f1）。