变频器的恒液位控制.docx

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变频器的恒液位控制

艾默生变频器及PLC在恒液位控制中的应用

发布时间：

2008-10-20来源：

中国测控网

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摘要：

文章介绍了艾默生公司变频器EV2000系列在钢厂璇流井恒液位变频节能控制中的应用。

Abstract:

AdoptionofEV2000inverterofEmersoninliquidlevelcontrol

关键词：

变频器超声波液位仪PID恒液位控制数传电台

前言：

　　　包钢带钢厂璇流井水系统是为轧线供生产用水，整个水系统是循环运行的。

为保证璇流井内水位保证基本平衡，通过5#泵（110KW）将水池内循环水再抽到外面，防止水溢出。

由于原有系统采用软启动启动，不能调节转速，水位的控制依靠人为值守，来通过开阀和关阀来控制。

否则在低液位会造成水泵抽真空而损伤泵体（气蚀）；高液位则会淹没水泵房造成停电事故。

为此，我们设计变频恒液位控制系统，液位检测采用超声波液位器（百特公司），通过变频器内部PID构成液位闭环，实现液位的自动恒定控制。

1、变频恒液位控制系统构成

　　　系统水泵电机为110KW，四级，转速1480r/min。

设计采用EV2000-4T1100P系列通用变频器作为水泵电机控制核心。

液位检测采用百特工控公司生产FBSON-Y-05-N系列超声波物位检测仪，供电电源为AC220V，一体式安装。

量程最大可达到5米，实际检测水位最高1.85米。

系统原理图附图一至三。

　　　采用一台EC20-1006BRA作简单的继电连锁，除了和旧系统进行连锁（互锁），还有变频器的简单启动和停止及报警。

本系统还另外装有一台EC20-1006BRA，通过串口与一台数传电台相通讯（MODBUS）,来实现和另外一个水泵房（净环泵房）实现连锁。

当璇流井有高液位报警时，通过PLC及数传电台传送到净环泵房，由操作人员确定水泵的启动和停止（由于二者距离太远，且不适合电缆敷设，所以采用无线数传的方式）。

其中璇流井内PLC设置为主站，净环内PLC为从站。

数传电台采用深圳科立讯生产的PT6080无线数传电台是利用先进的单片机技术,无线射频技术,数字处理技术设计的功率较大,体积较小的模块式半双工数传电台,采用SMT新工艺,选用高质量的元器件。

抗干扰能力强，精致坚固，结构紧凑，安装方便。

数话兼容，数传可优先。

RS232、RS485及TTL多种接口可供选择，适应面宽。

参见下面原理图：

2、变频恒液位控制参数及工作原理：

2.1EV2000通用技术规格：

输入

额定电压；频率

三相，380V～440V；50Hz/60Hz

允许电压工作范围

电压：

320V～460V；电压失衡率：

<3％；频率：

±5％

输出

额定电压

380V

频率

0Hz～650Hz

过载能力

G型：

150％额定电流1分钟，200％额定电流0.5秒；

P型：

110％额定电流1分钟；150％额定电流1秒

主要控制性能

调制方式

磁通矢量PWM调制

调速范围

1：

100

起动转矩

0.50Hz时180％额定转矩

运行转速稳态精度

≤±0.5％额定同步转速

频率精度

数字设定：

最高频率×±0.01％；模拟设定：

最高频率×±0.2％

频率分辨率

数字设定：

0.01Hz；模拟设定：

最高频率×0.1％

转矩提升

自动转矩提升，手动转矩提升0.1％～30.0％

V/F曲线

四种方式：

1种用户设定V/F曲线方式和3种降转矩特性曲线方式（2.0次幂、1.7次幂、1.2次幂）

加减速曲线

三种方式：

直线加减速、S曲线加减速及自动加减速方式；四种加减速时间，时间单位（分/秒）可选，最长60小时

直流制动

直流制动开始频率：

0.20～60.00Hz；

制动时间：

0.0～30.0秒；

制动电流：

G型：

0.0～100.0％

P型：

0.0～80.0％

点动

点动频率范围：

0.20Hz～50.00Hz；点动加减速时间0.1～60.0秒可设，点动间隔时间可设

多段速运行

通过内置PLC或控制端子实现多段速运行

内置PI

可方便地构成闭环控制系统

自动节能运行

根据负载情况，自动优化V/F曲线，实现节能运行

自动电压调整（AVR）

当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定

自动限流

对运行期间电流自动限制，防止频繁过流故障跳闸

自动载波调整

根据负载特性，自动调整载波频率；可选

客户化功能

纺织摆频

纺织摆频控制，可实现中心频率可调的摆频功能

定长控制

到达设定长度后变频器停机

下垂控制

适用于多台变频器驱动同一负载的场合

音调调节

调节电机运行时的音调

瞬停不停机控制

瞬时掉电时，通过母线电压控制，实现不间断运行

捆绑功能

运行命令通道与频率给定通道可以任意捆绑，同步切换

运行功能

运行命令通道

操作面板给定、控制端子给定、串行口给定，可通过多种方式切换

频率给定通道

数字给定、模拟电压给定、模拟电流给定、脉冲给定、串行口给定，可通过多种方式随时切换

辅助频率给定

实现灵活的辅助频率微调、频率合成

脉冲输出端子

0～50kHz的脉冲方波信号输出，可实现设定频率、输出频率等物理量的输出

模拟输出端子

2路模拟信号输出，分别可选0/4～20mA或0/2～10V，可实现设定频率、输出频率等物理量的输出

2.2为实现璇流井内恒液位控制，我们采用给定电位计作为液位给定，反馈采用超声波液位仪（变送输出4-20MA）。

通过变频器内部的PID调节器做压力闭环调节。

变频器参数设置如下：

FP.01=0参数写保护选择，全部参数允许改写

F0.00=3给定为VCI模拟给定

F0.03=1端子运行

F0.04=0转向为正向

F0.08=1负载为风机类

F0.10=15加速时间

F0.11=15减速时间

F0.14=1V/F曲线设定（2次幂，泵类负载特性）

F5.00=1闭环运行有效

F5.01=1给定为VCI

F5.02=1反馈为CCI（注意要做调线改动）,超声波输出

F5.09=20最小给定量对应反馈（4mA,相对于20mA为20%）

F5.12=0.10比例增益

F5.13=0.05积分时间

FH.00=4四极电机

FH.01=110功率110KW

变频器内部PID控制框图：

2.3超声波参数设置

a、测量模式选择：

距离测量

b、测量范围：

0-185cm

c、响应速度选择：

慢速

d、安全物位：

保持

超声波工作电压220VAC，输出信号为4-20MA

　　　为可靠检测液位，使用超声波变送器必须使其响应速度较慢。

这是因为过快的响应速度，会造成外界干扰信号的扰动，使液位信号变化太快，影响了正常的设备运行。

降低速度，可以使信号综合平均后输出实际稳定电流信号。

3、实际运行效果

　　　经过现场一段时间的运行，变频恒液位运行效果非常好。

当用电位计设定一个液位高度后，变频器以恒液位控制方式运行。

当液位设定为70cm，实际检测璇流井内的液位基本在60-80cm之间恒定。

当液位低于70cm，变频器频率降低，直到最后停止在最低运行频率（20HZ）。

这是因为如果变频器运行频率过低，水泵的扬程不够，电机功率白白损耗掉，不利于节能运行。

设置最低运行频率，能够使水泵扬程达到要求（璇流井内循环水不会造成在最低的运行功率下导致液位过低而水泵抽真空）。

变频器的频率一般在生产的时候达到35-45HZ左右，这样的节能率是非常高的（40%左右），而且恒液位控制大大的降低了操作人员的劳动强度。

当由于某种原因造成液位过高时，通过EC20PLC和数传电台还可以为上级泵站提供信号，实现泵站水系统的连锁控制，保证了正常的生产供水要求，同时也大大地节约了电能（35%以上），为包钢节能降耗工程作了一个典范工程。

附原理图如下:

参考文献

①EV2000系列通用变频器艾默生网络能源有限公司

②新型PID控制及其应用机械工业出版社陶永华

③EC20使用手册艾默生网络能源有限公司

④通用变频器及其应用机械工业出版社韩安荣

⑤百特工控现场仪表选型手册福州福光百特自动化设备有限公司

变频器在恒压供水中的应用

随着人们生活质量的提高，在生活用水方面的质量要求也越来越高。

同时，由于工厂工艺的要求，对供水质量也得出了更高的要求。

变频恒压供水以其环保、节能和供水质量高等优点在供水行业中越来越得到认同。

在城市小区化的发展中，采用以小区或社区为统一整体的供水方案，会使设备的利用率及节能比例大大提高，并减少初始投资和占地面积。

一、变频恒压供水代替传统恒压供水的优点

1.变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及开水笼头时的共振现象。

2.避免了泵的频繁启动及停止，而且启动平滑，减少了电机水泵的启动冲击，增加了电机水泵的使用寿命，也避免了传统供水中的水锤现象

3.传统供水中设计有水箱，不但浪费了资金，占用了较大的空间，而且水压不稳定，水质有污染，不符合卫生标准，而采用变频恒压供水，此类问题也就迎刃而解了。

4.采用变频恒压供水，系统可以根据用户实际用量，自动进行检测，控制马达转速，达到节能效果。

避免了水塔供水无人值班时，总要开启一个泵运行的现象，节省了人力及物力

5.变频恒压供水可以自动实现多泵循环运动功能，延长了电机水泵的使用寿命。

6.变频恒压供水系统保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过流、过载、过热、缺相、短路保护等功能。

二、工作原理

变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为4~20mA或0-10V）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。

如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过PLC作工频/变频切换，使实际管网压力与设定压力相一致。

另外，随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。

三、适用范围

采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳定，运行可靠，操作简单，安装方便，占地少，噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。

特别适用于：

1.宾馆、写字楼、公寓、居民小区等场所的生活给水和热水采暖系统。

2.高层建筑、大型民用建筑的消防给水系统。

3.工矿生产企业

4.各类自来水厂

变频器在恒压供水上的应用

一、变频恒压供水的特点

1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。

2.占地面积小，投入少，效率高。

3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4.运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。

6.通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。

二、节能原理由水泵的工作原理可知：

水泵的流量与水泵（电机）的转速成正比，水泵的扬程与水泵（电机）的转速的平方成正比，水泵的轴功率等于流量与扬程的乘积，故水泵的轴功率与水泵的转速的三次方成正比（既水泵的轴功率与供电频率的三次方成正比）。

根据上述原理可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率。

流量基本公式：

Q∝NH∝N2KW=Q*H∝N3以上Q代表流量，N代表转速，H代表扬程，KW代表轴功率。

例如：

将供电频率由50HZ降为45HZ，则P45/P50=（45/50）3=0.729，即P45=0.729P50；将供电频率由50HZ降为40HZ，则P40/P50=（40/50）3=0.512，即P40=0.512P50。

水泵一般是按供水系统在设计时的最大工况需求来考虑的，而用水系统在实际使用中有很多时间不一定能达到用水的最大量，一般用阀门调节增大系统的阻力来节流，造成电机用电损失，而采用变频器可使系统工作状态平缓稳定，通过改变转速来调节用水供应，并可通过降低转速节能收回投资。

从下图我们可以形象的看到三种流量控制方式的比较。

100KW三种流量控制方法的耗电实测比较表：

流量%变频器轴功率KW%输入阀门控制

轴功率KW%输出阀门控制

轴功率KW%理想轴功率KW%

5015608412.5

60256489.521.6

7038689534.3

805572.599.551.2

907984103.573

100108106107100

很多电机拖动设备都存在全余量较大、工作效率低、电能耗量大、启动电流大、工作噪声大等难题。

且不断的影响企业的经济效益，而投资变频器可以从根本上解决这些问题，一般情况下，完全可以改善工艺条件,并且投资回收期不超过10个月。

三、变频恒压供水设备的主要应用场合1、高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水；2、各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等；3、中央空调系统；4、自来水厂增压系统；5、农田灌溉，污水处理，人造喷泉；6、各种流体恒压控制系统。

四、变频恒压供水设备的系统组成变频器是整个变频恒压供水系统的核心部分。

其系统组成：

水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。

变频器接受PID控制器的信号对水泵进行速度控制，压力传感器检测管网出水压力，把信号传给PID控制器，通过PID控制器调节变频器的频率来控制水泵的转速，实现了一个闭环控制系统。

由于三晶变频器本身具有PID调节功能，可以不选用外置PID调节器，调节更加平稳。

五，变频器PID简易使用范例

（1）假设反馈通道选择（0-10V），远传压力表的量程范围0-1MPA

（2）接线

（3）设定的参数如下：

1,F039以实际需要，一般设为外部端子控制，即F039=2，

2，F040=40输出频率由PID输出决定；

F041=50PID启动，即MI1功能选择为PID启动功能；

3，F073=0.1PID输入选择，0表示PID的设定值来源，由F027设定；1表示PID的反馈值来源，模拟输入VI为来源；

4，F027=50%设定值来源（系统要求压力为0.5MPa）