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易驱变频器在供水行业的闭环控制应用

时间:2022-08-05 16:30:18来源:深圳市易驱电气有限公司

导语:​变频器在恒压供水行业的闭环控制应用,就是人们简称的恒压供水控制,恒压供水的控制原理是变频器拖动水泵转动,控制水泵的转速,改变水泵的压力,在水泵的出水口加装压力传感器,压力传感器反馈压力至变频器,实现在用水量大、管网压力减小的时候,变频器提高输出频率,驱动水泵电机高速运行;在用水量小的时候,变频器减小输出频率,使水泵电机低速运行,实现动态过程中的管网压力恒定。

  变频器在恒压供水行业的闭环控制应用,就是人们简称的恒压供水控制,恒压供水的控制原理是变频器拖动水泵转动,控制水泵的转速,改变水泵的压力,在水泵的出水口加装压力传感器,压力传感器反馈压力至变频器,实现在用水量大、管网压力减小的时候,变频器提高输出频率,驱动水泵电机高速运行;在用水量小的时候,变频器减小输出频率,使水泵电机低速运行,实现动态过程中的管网压力恒定。对比传统的控制模式,采用变频恒压供水在实现节能的同时提高了供水质量,该控制系统中主要有三大元素:水泵、压力传感器、变频器(内含PID调节器),本文将对这三大要素做简单介绍,并介绍恒压供水的相关原理、接线注意事项以及参数设置等。

  恒压供水环节核心部件介绍

  (1)水泵:水泵是输送液体或使液体增压的机械装置。它将动力装置的机械能传送给液体,使液体能量增加, 主要用来输送液体包括水、油以及其他液体等等。

  (2)压力反馈装置介绍:变频恒压供水系统中,常用来做压力反馈的是远传压力表与压力变送器。远传压力表主要由一个普通弹簧管压力表和一组滑线电阻式发送器等组成,当被测的水压发生压力变化时,弹簧管管端产生位移, 该位移通过传动机构使指针在度盘上指示相应的压力值。

  • 为了保证弹性元件能在弹性变形的安全范围稳定的工作,在选择压力表时,必须根据被测压力的大小选择合适量程的压力表,压力表的上限值要高于生产中可能的最大压力值,同时根据相关规定最大工作压力不超过测量上限值的2/3,被测量的最小值不低于压力表量程的1/3,从而保证压力表的输出量与输入量之间良好的线性关系,提高压力表测量结果的精确度和灵敏度;

  • 压力表的主要技术指标有: 产品名称: 远传压力表

  产品型号: YTZ-150

  公称直径(mm): φ150 精确度等级:1.6

  起始阻值:大约3-20欧左右

  滑动变阻器电阻值:340-400欧左右

  量程主要为1Mpa、1.6Mpa、2.5Mpa 工作电压:小于等于6V;

  • 因为远传压力表工作电压小于6V,变频器控制端子模拟量的供电电压为+10V,所以需要在串联一个电阻进行分压确保压力表正常工作。另外,在使用变频器所提供的电源时, 需要避免负载电流超出电源的最大允许输出电流(GT200变频器+10V最大允许输出电流为50mA;+24V最大允许输出电流为200mA)。

压力表.png

图 1 压力表

  (3)压力变送器能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成对应的电压(0-5V、0-10V)、电流信号(4-20mA)输出。常用的压力传感器供电范围9-36V, 12-36V,24V等等,压力传感器的接线一般有两线制、三线制、四线制,其中两线制在实际的应用中最多。两线制压力变送器的输出线一根接在电源的正极,另一根作为信号输入线接入变频器所能够识别电流输入信号的端口(GT200系列的AI1、AI2端口)。

  (4)压力表管道安装注意事项:管网压力检测装置(远传压力表、压力变送器)要装在止回阀的前面(如图2所示),这样做的主要好处是此处的压力比较稳定,涡流现象少,振动小,能准确地检测水泵的压力,即使泵出水阀关掉也能显示主管网的真实压力;如果装在止回阀后面,由于止回阀有一定的压力损失,会导致水泵出口压力检测不准确; 同时,更严重的是在水泵停机的时候,无法获知水泵的出口的管网压力。

压力表管道安装.png

图 2 压力表管道安装


  (5)信号线走线注意事项:

  • 远传压力表与压力变送器的信号线尽量选用屏蔽信号线,最好是具有屏蔽层的双绞线。信号线的屏蔽层需要在变频器端接地,可通过变频器端的金属线夹实现接地连接。信号线尽量贴近地面或者金属平面走线;

  • 由于电磁感应噪声,静电感应噪声,噪声在信号线中传播导致设备发生误动作;信号线避免和动力线平行走线, 并且尽量远离变频器的输入、输出线。如果信号线不可避免同动力电缆交叉,建议以垂直方式交叉;

  • 假如信号线与动力线未使用屏蔽电缆,可分别将信号线和动力电缆套入金属管内并接地,金属管的间距大于20CM也可获得较好的抗干扰效果。

  恒压供水接线以及参数设置

  (1)压力表接线以及相关参数设置

  图3是易驱GT200系列变频器与电阻式远传压力表的接法方式,常见的远传压力表有红、黄、蓝(绿)三根引线, 红线接变频器控制板接线端子GND,黄线接AI1,蓝(绿) 线串联电阻进行分压推荐阻值330-470Ω(尽量接近压力表内阻,2W以上)接+10V。

  

易驱 GT200 系列变频器与电阻式远传压力表的接法方式.png

图 3 易驱 GT200 系列变频器与电阻式远传压力表的接法方式

  现场应用参数设置举例,压力表量程1MPa,现场需求3.5公斤压力(0.35MPa)。

  

现场应用参数设置举例.jpg

     远传压力表量程XMPa,阻值400Ω,起始阻值20Ω,串联电阻500Ω(2只1000Ω并联)现场接线如图3所示,采用变频器+10V供电,则反馈信号同管网压力的对应关系为:

反馈信号同管网压力的对应关系.png

  Y=10*(20+(P/X)*(400-20))/(400+500),如果我们使用的 压 力 表 量 程 1MPa, 那 么 关 系 式 为 : Y=10*(20+(P/1)*(400-20))/(400+500)其中P的单位为MPa。

        由以上对应关系,可以将给定量同反馈值的对应关系在下列参数中予以明确:

给定量同反馈值的对应关系.jpg

         远传压力表量程XMPa,阻值340Ω,起始阻值3Ω, 串联电阻330Ω,现场接线如图3所示,采用变频器+10V供电,则反馈信号同管网压力的对应关系为:Y=10*(3+(P/ X)*(3 4 0 -3 ))/ (3 4 0 +3 3 0 )如果我们使用的压力表量程1.6MPa,那么关系式为:

  Y=10*(3+(P/1.6)*(340-3))/(340+330)其中P的单位为MPa。

反馈信号同管网压力的对应关系1.png

 由以上对应关系,可以将给定量同反馈值的对应关系在下列参数中予以明确:

 

给定量同反馈值的对应关系3.jpg

    图4是易驱GT200系列变频器使用两线制压力传感器的接线方式,一根线接在变频器的24V自带电源,另一根线接在变频器的模拟量输入端AI2口,同时短接变频器的GND与COM端子。

  

易驱 GT200 系列变频器使用两线制压力传感器的接线方式.png

  图 4 易驱 GT200 系列变频器使用两线制压力传感器的接线方式

  现场应用参数设置举例,压力传感器1MPa,现场需求3.5 公斤压力(0.35 MPa)。

  

现场应用参数设置举例2.jpg

  假设压力传感器量程为XMPa,输出4~20mA信号,目标压力为 P MPa,F8.05设置为Y,现场接线如图4所示,采用变频器+24V供电,则反馈信号同管网压力的对应关系为:

  I反馈值=P/X*16+4。

  压力表量程为1.0MPa,则关系式为: I反馈值=P/1*16+4。

  压力表量程为1.6MPa,则关系式为: I反馈值=P/1.6*16+4。

  根据10V—20mA的对应关系,则Y=I反馈值/2。

  由以上对应关系,可以将给定量同反馈值的对应关系在下列参数中予以明确:

给定量同反馈值的对应关系3.jpg

  论述恒压供水的整个过程

  恒压供水应用中要注意设定通道与反馈通道,两者不能一样。

  变频器上电以后,通过端子启动机器(DI1与COM闭合),机器频率根据目前的实际压力情况进行增加,如果当前实际压力距离目标压力比较远,那么机器频率快速增加到50Hz;如果机器管网目前压力跟实际压力比较接近,机器频率缓慢增加,维持管网压力的恒定。

  恒压供水调节,就是俗称的PID调节,其中重要的三要素是:P-比例增益,I-积分时间,D-微分时间。比例增益P 是决定运行偏差的响应情况要素。如果提高增益,则响应变快,但如果过度,则容易发生振动。I作为参数表示积分时间,如果增大积分时间,则响应缓慢。此外,对应外力的反映也弱。如果减少积分时间,则响应快,但如果过小,则对于外力的变化,变频器的输出会产生振动。D运行所决定的效果大小是作为参数表示微分时间。如果加大微分时间,则在产生偏差时会迅速衰减P运行所造成的振动。如果增加过大,则有时造成振动增大。如果减小微分时间,则产生偏差时的时间作用减小。

  管网实际压力高于睡眠阈值以后,频率下降,当频率下降至下限频率F1.10,经过睡眠延迟时间,如果机器压力还高于睡眠阈值,机器休眠(即零转速运行中),苏醒就是实际压力低于苏醒阈值以后,经过苏醒延迟时间,如果压力还低于苏醒阈值,机器加速启动。

  PI控制:仅用P运行消除剩余的偏差,一般采用加I运行的PI控制。这种PI控制,即使有目标值变更和超常的紊乱, 也总能将偏差处理为最小化。但是,如果将I运行的积分时间延长,则对于变化的速度控制就会反应缓慢。积分要素的比例非常大的负载,也可以单独使用P运行。

恒压供水的整个过程.png

  

现场应用图片.png

  现场应用图片

  

易驱 GT200 系列变频器.png

  易驱 GT200 系列变频器

  

  F8.12比例增益Kp、F8.13积分增益Ki,F8.43微分增益KD,这些参数就是PID里面的调节参数,在具体的分析PID 前,举一个生活中的例子,恒压供水的目标就像给一个水缸里面倒满水,P就相当于一个大桶,I就相当于一个小桶,如果把这个水缸的水倒满需要3.5大桶(这里我们定义为只能一桶一桶地倒水,并且水缸不能溢水),那么我们通过大桶就不可能把水缸里面的水倒满,因为我们倒三桶水不够,倒四桶水就溢出来了,这就相当于恒压供水里面的震荡,只能倒三大桶,再倒若干小桶,水缸才能倒满。通过这个例子,就可以理解当出现水压不稳定、管网压力波动大的时候,需要降低机器的比例增益Kp,但是降低Kp一般可以使系统波动比较小,就像水缸通过大桶不能完全倒满一样,并不能完全消除波动,通过积分增益Ki的配合,就像小桶倒水一样,可以使管网的压力达到平衡,比例增益的调节主要是快速的调节,积分增益的调节主要是缓慢的调节。


标签: 变频器

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