西门子变频器恒压供水

1 引言 随着电力电子及自动控制技术的快速发展，变频调速技术日益成熟，并以其优越的调速性能和强大的控制功能在各个领域得到了广泛的应用。利用变频调速技术的恒压供水设备因为其高品质的供水质量、稳定的工作性能以及节约能源等优点，目前已经在供水行业得到了普遍的应用。 西门子mm430是一款专门为风机和水泵设计的变频器，具有丰富的软件设置参数，可以扩展实现多种功能，能够适应各种复杂工况下的需要。通过对mm430的pid参数设定，可以在不增加任何外在设备的条件下，实现供水压力的恒定，提高供水质量，同时减少能量损耗。以往的恒压供水设备，往往采用带有模入/模出的可编程控制器或pid调节器，pid算法编程难度大，设备成本高，调试困难。mm430系列变频器内置的pid功能，可以进行精确的pid控制，不仅节省了安装调试时间，还有效的降低了设备成本，是进行此类控制的首选。 威英智通公司是专门从事节电技术研究、节电产品开发的技术型公司。以改变中国高耗电、低效率的现状为己任，为各个领域的用户提供全面的节电解决方案，在保证用户正常安全用电的同时，有效节约电能。威英智通的照明和动力节电技术和产品，通过探索与实践，已成功广泛地应用于宾馆、商场、超市、学校、工矿企业、市政等各种用电场所。 2 pid调节的原理 恒压供水的最终目标就是要使末端压力稳定在一个压力点上，由于用水量是不定时变化的，这就要求供水量要实时跟随用水量变化，并对此做出快速响应，普通的开环控制无法满足这一要求，必须采用一种快速响应的闭环控制方法来实现。pid调节是实现这种要求的最好方法。 pid控制是比例、积分、微分控制的简称，因为其控制的稳定性好，结构简单，参数调整方便，在工程控制中广泛应用。pid调节是根据反馈值与设定值之间的差异，按照预先设定好的比例、积分、微分参数，自动计算输出一个最合适的值来驱动系统工作，从而减少这个差异，直至反馈值与设定值相同，误差为零，也就是使负载最终稳定在一个工作点上，它是一个自动跟踪的闭环控制系统。其中最关键的是pid参数的值，这些参数是要根据负载响应的特性在现场设置调节的，它是pid控制的核心，直接关系到整个系统能否稳定工作并达到预定的目的。 3 工程现场的概况 某酒店的生活热水，是由两台11kw的热水泵提供，这两台泵任何时候只开一台，另一台备用，主要是为客房内的洗浴及厨房提供热水。由于客人洗澡时间的不确定性，酒店必须保证热水在24小时内充分供应。供水泵功率的大小是根据热水阀全开时的最大热水需求而确定的，同时还留有一定的设计余量。 由于酒店入住率以及在一天中不同的时间段热水阀门不可能全部打开的原因，热水的需求在大多数时间都没有达到满负荷。在没有采取流量调节前，因为必须满足潜在的热水使用要求，供水泵不得不一直处于全速运转的状态，多余的热水在达到末端后流回蓄热水箱，白白浪费大量的能量；而且对于水泵和电机来说，由于它们一直是全速运行，机械磨损相对也会比较严重，出故障的机率也会有所增多。 在没有采取恒压控制前，系统压力很不稳定。洗浴时的用水是由冷热水管共同向喷头提供，当两侧冷热水压力相差比较大时，水温很难调节到一个平衡点，而且当热水压力太大时，则会出现热水串入冷水管的现象，甚至可能烫伤客人，造成严重后果。 客房内洗浴冷水的压力是由电节点压力表控制水泵的启停并配合压力灌来实现，出水压力控制在0.5-0.6mp之间，0.5mp启泵，0.6mp停泵。工频状态热水管末端回水的压力在正常时约为0.7mp左右，晚上无人使用时最高达0.8mp。我们可以看到，只要将热水管的末端压力控制在0.5mp左右，就可以满足正常使用。 图1 酒店供水示意图 4 系统的设计 根据现场的工况，我们进行如下设计。首先，设备要设有切换功能，可以用一台变频器对两电机进行切换变频，以保证一台电机故障后另一台仍可以进行变频工作；其次，为了防止反馈信号出现意外情况导致设备不能正常工作，要设计有自动和手动两种控制模式，自动模式是根据反馈信号自动调节，手动模式是用操作面板bop人为的控制水泵转速，以方便在调试时或者反馈信号故障时使用；另外，设备还要在原来启动柜和变频柜之间设有电气互锁保护，确保任何时候只能有工频或变频一种方式来启动电机，以避免意外操作时对变频器造成损坏；还要有故障报警功能，当电网、电机、水泵或设备出现意外情况时，能及时发出报警，避免更大故障的发生。 进行pid控制，必须要有主设定与反馈两路输入，其中主设定是要达到的目标压力，是根据最终控制目标需要，在变频器中设定的（参数p2240），该参数可以在用户实际需要发生变化后再次调整；反馈值是通过远程的压力变送器提供，具体操作是在热水管的末端安装一个压力变送器，将压力信号转变为4~20ma的电流信号，然后输出给压力显示仪表，经设定后再输出给变频器。 主回路电气图如下： 图2 主回路控制图 设备的选型：为了保障变频器工作的安全可靠，选用15kw的变频器来拖动11kw的电机，这样可以大大的降低故障的发生率，延长设备的使用寿命；因为热水管在电机工频时末端的最高压力可达0.8mp，所以选择压力变送器的量程范围为0~1mp，对应线性输出4~20ma电流信号；选择一块带输出且可设定的数字显示仪表，以便在设备上指示当前压力，供操作人员参考，并可以更灵活的对压力信号进行设定；其它空开、接触器等器件则根据电机容量或按照常规选择。 5 参数设定和设备调试 5.1 变频器参数的设定，包括操作参数和pid模块的参数。 5.2 系统的调试 普通操作参数经设定后，一般不会有什么问题，pid参数的调试需要依据电机和负载的情况逐渐修改，直到压力指示稳定下来。为了保障供水压力的充足，将末端压力定在0.55mp，压力变送器对应的电流输出信号为12.8ma，由于变频器默认的控制信号为电压信号，将其转变为电压信号后输送给变频器，12.8ma占满量程的比例为64%，将参数p2240设为64，即pid的目标值。 变频器运行过程中，反馈回来的信号与主设定值进行比较，如果反馈值小于主设定值时，变频器的频率会自动提升，以提高目标压力；如果反馈值大于主设定值时，变频器的频率会自动降低，以降低目标压力。 对于水泵系统，水量随着泵的转速变化响应很快，没有明显的滞后，这时候增加微分量，过分的提前预测反而会造成系统调节的不稳定。 另外，由于变频器实际输出的是脉冲信号，默认的载波频率为4k，此时电机有尖锐的噪声。增加载波频率会降低最大输出电流，并且增加变频器损耗。因为实际所选的变频器功率比电机功率大一档，且设备一般工作在低于额定的状态，所以增加载波频率对设备没有太大影响，把p1800改为6k后，电机噪声明显降低。 6 节电情况测试 设备调试好后，压力稳定在0.55mp，电机一般工作在42hz左右，晚上用水量低时最低可降至40hz，用水高峰时电机工作在48hz左右，经过一天工频方式，一天变频节电方式的工作对比，测得节电率为40%，节电效果显著，设备的投资成本两年内即可收回 P003=3：进入全部参数组。 P0010=1：进入电机参数修正组。 P0304=380：变频器最大的输出电压。（长距离应该考虑压降问题）。 P0010=0：退出电机参数修正组。变频器运行前必须设为0. P0702=3：停机为滑停关闭输出。可防止大惯量负载再生发电反向冲坏变频器。 P0756(1)=0：反馈为电压时应取0.（为电流时取1，并将DIP开关2号拨为ON）。 P10801=10—15：恒压状态下，电机最低转速HZ，以不出水的的速度最佳。 P1300=2：风机/水泵类负载控制特性曲线。启动困难时可取1. P2253=2250：定义压力设定口为P2240。即用P2240参数值为恒压点设定。当多圈10K电位器设定压力时，P2253=755.0用1、2、3端子设定。 P2200=1：使变频器为PI闭环工作方式。 P2280=0.0X：P参数，通常取0.02-0.08.以实际系统为准。 P2285=0.0X：I参数，通常取0.01-0.04.以实际系统为准。 P2293=10：PI闭环工作时从0上升到50HZ时的时间，以变频器的功率为准。 一：接线方式： 端子号2#、4#、9# 用导线三点短接。5#、6#短接。5#经起动常开点到8#。8#经1.5k电阻到YTZ-150远传压力表的高端、压力表动端到3#端子、压力表低端到9#端子。 二：参数修正：（其它参数请咨询后修正） 参数号 参 数 解 释 P003=3 进入全部参数组。 P0010=1 进入电动机参数组。 P0304=380 电动机额定电压。 P0010=0 退出电动机参数组。 P1080=10 电动机恒压状态下的最低速度10HZ。 P1000=21 可以使用面板（上升/下降）键修正压力恒定点。 P1031=1 面板设定压力断电时记忆。 P1300=2 用水泵特性曲线。若水泵起动困难时用（0）或（1）。 P0702=3 6#号端子定义停机为关闭输出、水泵自由滑停。 P2200=1 PI闭环工作许可。 P2253=2250 定义P2240为恒定点设定值。 P2280=0.05 闭环P参数、为振幅调节。（以实际系统确定）。 P2285=0.02 闭环I参数、为振频调节。（以实际系统确定）。 P2293=15 为PI运行时上升速度。15~20S。 P1820= 当改为1时,电机将改变转速方向。 三：调试方法。 1：将线路接好、参数修正完后。再将r2266调出压力表反馈显示，拨动压力表指针从小到大时,变频显示也应从小到大变化。将指针指到要求压力点时、变频则对应一个显示值为X。 X值一般为0~50,对应表全量程。再将X值修改到P2240=X。运行压力偏差用面板微调。 例：使用YTZ-150表、全量程6KG，要求恒压3KG时、将粗设P2240=25即可。要求恒压2KG时粗设P2240=17，运行后用面板微调即可。