【乾貨】自動化項目經典案例分享：供水系統的變頻恆壓控制

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在液體或氣體輸送場合，常常要求保持所送出的液體或氣體為一個恆定的壓力值，這就是恆壓控制。

今天，小編就為大家介紹恆壓控制~

本文內容出自《自動化設備和工程的設計、安裝、調試、故障診斷》，歡迎關注~

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單台水泵的恆壓控制

以單台水泵的供水系統為例，假設水泵以調速方式運行，則其恆壓控制原理框圖如下：

在圖中，設定壓力SV是工藝要求值，在PID上用按鍵輸入此值，它是我們希望保持的管網壓力值，管網上安裝的壓力感測器把實際壓力PV輸送到PID的檢測量模擬輸入端，PID比較誤差e的正負。

當誤差e為正時，說明實際壓力值PV小於設定值SV，PID的輸出u增大，變頻器的輸出增加，水泵轉速n上升，實際壓力值PV上升，當PV等於SV時，電動機轉速停止上升，管網壓力PV維持在設定值SV。

當誤差e為負時，說明管網實際壓力PV高於設定值SV，則PID輸出u減小，變頻器的輸出頻率f減小，水泵轉速n降低，管網實際壓力PV降低，當PV等於SV時，電動機轉速停止降低，管網壓力PV維持在SV。

如果積分參數I不起作用(I=0)，則PID不能實現無差調節，因為PV=SV時，ei=0，則比例P和微分項D的輸出為零，PID輸出也將變為零，不能維持一定的壓力值，因此必須有無差e才能使輸出保持為一定的值，即u=P*ei。

所以PID控制器的I參數其主要作用是為了實現無差(ei=0)控制，用調速方式實現恆壓控制如下圖所示。

當管網壓力用閥門調節來實現恆壓控制時，用閥門調節實現恆壓控制的原理如下圖所示。

在圖中，閥門定位器的作用是把PID輸出的4~20mA信號轉化為對應的閥門開度0~90°（全關~全開），其控制過程同第一張圖。

多台水泵的供水系統恆壓控制

對於多台水泵的供水系統，除了上述的控制過程外，還有一個增減泵的控制，一般情況下需要增加一個PLC（或類似的控制裝置）。

其控制過程為：當管網壓力PV低於設定壓力SV時，PID輸出增加，變頻器頻率增加，電動轉速增加，隨著水泵的加速，PV增加，PID的輸出一直增大到最大(20mA)時，變頻器的輸出頻率達到最高頻率(50Hz)，水泵轉速達到額定轉速；如果PV仍低於SV，則PID輸出壓力低的報警（開關量）信號，PLC接到該壓力低報警信號，延時一定的時間（一般為30s~15min）；如果PV一直小於SV，則說明一台水泵已經不夠用了，應使PLC控制第二台水泵投入運行，一直到開泵台數滿足要求為止，PV值基本穩定在SV值附近。

當管網壓力PV大於設定值SV時，如果PID的輸出已經最小(4mA)，調速水泵停止運行，如果此時PV仍大於SV，則PID輸出壓力高的報警信號，PLC接收到此輸入信號，延時一定的時間(30s~15min)，PLC控制關掉一台水泵，知道關泵台數滿足要求為止，PV值基本穩定在SV值附近。

案例分享

以3台泵為例，3台泵的恆壓變頻控制系統電氣控制圖如下圖所示。目前，很多變頻器本身自帶PID和PLC，這樣造價也低，所以在選型時可以選擇這樣的變頻器，如富士公司的FRENIC5000-P11變頻器、西門子公司的M430變頻器和愛默生公司的TD2100變頻器等。

在圖中，萬能轉換開關SA2在右邊「手動」位置時，①和②接通，③和④接通，⑤和⑥斷開，按下起動按鈕SB2，交流接觸器KM1吸合，電動機M1工頻起動；

按下停止按鈕SB1，交流接觸器KM1釋放，電動機M1停止運行；

按下起動按鈕SB4，交流接觸器KM2吸合，電動機M2工頻起動；

按下停止按鈕SB3，交流接觸器KM2釋放，電動機M2停止運行。

在圖中，萬能轉換開關SA2在左邊「自動」位置時，①和②斷開，③和④斷開，⑤和⑥接通，KA3吸合，PLC控制變頻器的起動，PID的壓力高報警信號和壓力低報警信號接在PLC的輸入端，PLC測量到壓力高報警信號或壓力低報警信號，如果一直存在該信號，延時一定時間，則PLC控制電動機M1和電動機M2起動或停止。

PLC輸出控制繼電器KA1吸合時，交流接觸器KM1吸合，電動機M1工頻起動；

PLC輸出控制繼電器KA1斷開時，交流接觸器KM1失電釋放，電動機M1停止運行；

PLC控制繼電器KA2吸合時，交流接觸器KM2吸合，電動機M2工頻起動；

PLC控制繼電器KA2斷開時，交流接觸器KM2失電釋放，電動機M2停止運行。

壓力感測器P測量管道中水的壓力，根據壓力的大小輸出3~340Ω的模擬信號到PID控制器，PID根據誤差e(=SV-PV)，運算后輸出4~20mA的調節信號到變頻器的速度控制輸入端，改變水泵電動機的轉速，從而實現壓力的恆定控制。

注意：萬能轉換開關SA2的②和④觸頭不能合併為一個觸頭，否則「自動」時，繼電器KA1和KA2線圈吸合會造成手動按鈕也能起動水泵電動機。

利用PLC實現恆壓控制

在第三張圖中，如果不用PID和閥門定位器，而是利用PLC對閥門電動機直接進行開閥、關閥和停止3個動作的控制也可以實現恆壓控制。利用PLC實現恆壓控制如下圖所示。

管網壓力PV低於SV時，PLC輸出打開閥門控制信號，隨著閥門打開角度增加管網壓力PV升高，當PLC判別到PV=SV時，PLC輸出停止閥門運行信號，閥門停在使PV=SV的位置上。當PV大於SV時，PLC控制閥門關，閥門打開角度減小，當PV=SV時，PLC輸出閥門停止運行信號。

3台泵恆壓變頻控制系統元件清單見下表。

初學者請注意：斷路器有電動機型和線路型之分，由於電動機的起動電流大，所以，電動機型的斷路器，在較大的電動機起動衝擊電流下不出現跳閘，如果選成線路型的，則可能出現斷路器在電動機起動時跳閘的問題。

目前，變頻恆壓供水設備在工業用水、市政輸水、建築用水及民用小區供水等領域大量應用，它避免了用閥門調節壓力時造成的節流損失，使用也十分方便。兩者的控制系統基本一樣，只是用變頻器調節電動機的轉速代替了控制閥門開度的調節方法。

編后語

變頻恆壓控制就介紹到這裡了。看了這篇文章，相信大家不僅對於變頻恆壓控制有了清楚的認識，還對恆溫度控制、恆流量控制等其他控制也應該能舉一反三了！

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