基于变频器控制的自动恒压供水系统设计

池保忠

（江苏联合职业技术学院常熟分院，常熟 215500）

随着社会经济的繁荣发展，人类生活水平逐渐提高，工厂设备更新换代，传统的水塔水箱供水方式和管道直供已经无法及时处理许多实际问题，如建筑物的承重问题、水箱清洁问题及管道供水水压不稳造成管路泄漏或供水不足问题等，给人们的生活和工厂生产带来了不便和损失。所以，不论用水量多大多小，管网中稳定的管路压力是必须的。自动恒压供水系统即自控稳压供水系统，由压力变送器和变频器组成，通过控制水泵转速的方式实现在一定范围内稳定管路供水压力的目标[1]。

1 工作原理和系统特点

1.1 工作原理

自控稳压系统通过安装在管路上的压力变送器，将压力信号转变成电流信号，并将其与用户设定的数值进行计算，最终通过计算得到的差值控制变频器，进而输出变化的电压来控制水泵的转速稳定水压，如图1所示。

当用水量增加时，供水压随之降低，一旦供水压小于设定值，压力变送器的电流反馈信号会提高变频器的输出电压，使水泵电机转速提高，水压随之回升到设定值。当用水量减少时，供水压随之上升，一旦供水压大于设定值，压力变送器的电流反馈信号会降低变频器的输出电压，使水泵电机转速降低，水压随之下降到设定值。当供水压力不变时，供水系统保持平衡状态，直到再次失去平衡，系统重新开始工作。压力控制实际就是用水流量的控制，假设可以把水流量分为供水流量Qg和用水流量Qy，用P表示供水压力，用N表示水泵转速，有：若Qg>Qy，则P上升，N降低；若Qg

图1 恒压供水原理图

1.2 系统特点

使用变频器自控稳压供水系统后，与以前的触点式压力表供水系统比较具有以下几个特点。首先，恒压供水实现了管路水压的稳定，保证了用户的用水质量，任何时候水流量均无大范围变化。其次，节约能源。变频稳压供水系统使用水水量大大减少，节能明显[2]。再次，保护功能。变频器有超电压、低电压、大电流、超载缺相、短路、过温及堵转保护等功能，能有效保护电动机的正常运转。水压也不会忽高忽低，不会出现瞬间高水压，对水管阀门等冲击小，减少了水管爆裂和阀门漏水的可能。最后，运行稳定。使用变频器和压力传感器的组合后能实现对水泵电动机的转速调节，不会出现电机频繁起停的现象，延长了电机的生命周期，对供电网络的冲击随之降低。

2 系统电路设计

2.1 电路设计

系统电路由变频器、压力变送器、继电器及按钮等元器件组成，如图2所示。

图2 电气控制图

压力变送器把检测到的压力信号变换成电流信号[3]，并将信号反馈到变频器的电流输入端子I，变频器里自带的PID模块用来调节水泵的转速，从而改变水管内部水压力的动态调节。

按钮SB2按下→继电器KA吸合，指示灯H1点亮→触点KA1、KA2吸合→变频器启动运行→水泵电机转动。

压力变送器检测信号值与RP设定值进行比较后，所得值被送至变频器，水泵转速开始产生相应变化，水管内部压力改变至稳定。当故障发生时，变频器故障保护系统启动，停止输出并报出故障代码，内部输出继电器动作，通过A1、B1端子输出报警（此处报警输出可根据实际需要连接报警灯或警笛等）。要想通电继续运行工作，按下复位按钮SB3后方可解除变频器报警，进而排除故障。

2.2 元器件选用

选用的元器件情况，如表1所示。

表1 选用的元器件

3 变频器设计

3.1 变频器选择

虽然变频器的种类繁多，但是选型依据均是以功率需求为主要参考。文中设计的供水系统采用交流异步电机作为水泵的电机，优先考虑恒压频比控制方式。控制系统需要闭环控制，通过模拟量给定目标值，以压力变送器的模拟量作为反馈值，以两者的差值作为依据运算得到控制电机的输出频率。

以变频器为核心的传统控制系统，需要另外的PLC作为控制器，计算闭环系统的最终频率输出。为了精简系统和优化成本，设计中采用内置PID功能的LSis7变频器，使得变频器可换成闭环系统的计算。LSis7变频器在模拟给定和输出频率方面有着较高的精度，有效保障了闭环系统的稳定。在水泵控制工况中，缺水状态容易诱发水泵故障，可设置LSis7的轻载报警故障来避免水泵故障。另外，PRE-PID故障的保护可防止不科学的PID参数设置导致控制系统不稳定。

3.2 PID控制

PID控制是把反馈给自己的误差值与预设值的数值，应用比例（Proportion，P）增益控制、积分时间（Integral，I）增益控制以及微分时间（Differential，D）增益控制计算出数值来控制。图3是变频器的PID控制调节过程。变频器内部的PID控制部分计算反馈值信号和给定值信号的误差值，用计算的误差值进行控制[4]。因此，想要使用PID控制就要有给定值信号和反馈值信号，即目标信号和反馈信号。这里的给定值信号是用户根据实际情况反馈给变频器的运转数值信号，通常是0～10 V的电压信号；反馈值信号是由外部仪器对被测物测量得到并转换后可供变频器使用的数值。变频器内部PID控制图，如图3所示。有时只要能满足使用要求，积分增益控制和微分增益控制的其中一个就可以不使用，只要与比例增益控制组合使用即可。

图3 变频器内部PID控制图

3.3 变频器的参数设置

安装好变频器后要预设其内部参数，可先把与变频器配套的水泵电动机基本参数输入到变频器内部。常规的参数水泵电动机铭牌上都有清楚的标注，如电压值、电流值、功率参数及转速值等[5]。LSis7变频器有自整定参数的功能，可以自己测量电动机运转时所需要的参数值并保存。其他参数设置如表2所示。

表2 变频器主要参数设置

4 结语

本文使用LSis7变频器实现恒压供水的闭环控制系统，利用变频器实现了目标值给定、压力反馈及相应的闭环控制，不需要工作人员频繁操作就实现了供水系统恒压自动控制。不仅成本低、维护方便，而且实现了供水的最优化和稳定性控制，延长了管道的使用寿命。