项目6 恒压供水变频PID控制60页PPT

供水能力QG>用水需求QU，则压力上升； 供水能力QG<用水需求QU，则压力下降； 供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上。 因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中 某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状 态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。
应求的现象。
传统方法
1 2 3
水塔，就是先用水泵把水抽到高处，然后利用水的压力供水，和 直接用水泵供水有了进一步提高。但是这种方法把水经过两次输 送。输送过程中不可避免的造成二次污染，影响居民健康。所以 这种方法不可取。
高位水箱——采取这种方法不但达到了高层楼房用户不因城市水 管压力减小而用不到水的目标，也尽量避免了水源的二次污染。 可它的投资成本价高。居民负担加重，所以不可取。
• 恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵 时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大 时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的主要目 标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频 器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器， 从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这 样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时， 一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。
供水系统方案图
主电路图
压力传感器
扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理被测介质的压力直接 作用于传感器的膜片上（不锈 钢或陶瓷），使膜片产生与介 质压力成正比的微位移，使传 感器的电阻值发生变化，和用 电子线路检测这一变化，并转 换输出一个对应于这一压力的 标准测量信号。

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子任务6：安全机制的组态
1、双击登录用户子菜单，进入菜单属性设置对话框，在脚本程 序属性页编辑区域中输入 !LogOn( ) 点击“确认”，退出。
2、按照上述步骤，在退出登录的菜单脚本程序编辑区中输 入 !LogOff( ) ， 在 进 行 用 户 管 理 的 菜 单 脚 本 程 序 中 输 入 !Editusers( ) ， 在 修 改 密 码 的 菜 单 脚 本 程 序 中 输 入 !ChangePassword( ) 。组态完毕。为保护工程文件，进行工 程密码设置。回到MCGS工作台，选择工具菜单“工程安全管理” 中的“工程密码设置”选项，弹出对话框如图：进行密码设置。
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子任务5：菜单项的组态
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子任务6：安全机制的组态
本工程建立后，参数一般是不需要调整的，因此本工程的安全机 制要求：只有负责人才能进行用户和用户组管理；只有负责人才 能进行“打开工程”、“退出系统”的操作；只有负责人才能进 行PID参数调整控制；普通操作人员只能进行基本菜单和按钮的 操作。
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子任务4：控制策略及报警策略的组态
曲线画面在系统的循环策略，添加如下策略： IF 水位<2 or 水压>0.6 THEN 水泵1=0 水泵2=0 水泵3=0 Endif
采用三个指示灯1作为报警提示，并分别做以下设置： 水泵<2 变频器频率>=50 水压>0.6
达到这三个要求，均使指示灯改变颜色。
全自动恒压供水控制系统的组态与调试
会计学
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子任务1：分析工程任务
2、实时数据分析 为设置系统的PID参数值，定义Kp—比例、对象； 为显示变频器的运行频率，定义变频器频率，为数值型数据对

运用PID与变频器实现恒压供水控制方案2008-01-20 19:58一：PID概念1. PID解释：即由比例（Proportion）+积分（Integral）+微分（Differential coefficient）组合而成。

2. 比例P控制：调节量按误差成比例输出，纯比例时误差不会为零。

即一对一的对应关系。

3. 积分I控制：调节量按误差的积分输出，误差为零时，输出恒定。

既有一定的延迟。

4. 微分D控制：调节量按误差的微分输出，误差突变时，能及时控制。

既快速反应。

5. PI控制动作：所谓PI控制就是将比例控制P和积分控制I结合起来，根据偏差及时间变化，产生一个操作变量。

二：运用PI控制系统方框图运用于PID可实现压力负反馈单闭环控制。

控制理论与算法。

1. PID配合变频器与压力传感器实现单泵闭环恒压供水控制系统。

2. 通常压力传感器分电流型与电压型两种。

PID有内置变频器与单独的外置两种。

三：设定任何一个控制系统都需要经过反复地调试后方可达到最佳性能，没有调试的系统是不能工作或不能良好地运行。

下面举例AMB-G7系列单泵恒压供水调试方法。

A. 首先必须知道控制对象的参数。

对象特征、需要的最大供水压力、需要给定用户的恒定压力、供水最小压力、上限压力、下限压力等。

B. 假设对一小区进行恒压供水改造，其要求管道最大供水压力为（A）11Kpa ，对应传感器输出电流为20mA , 要求最小供水压力为（B）1Kpa,对应输出的电流为4mA , 用户要求恒定的供水压力为（C）5Kpa 。

根据以上三个参数可以确定PID的设定值，既：（必须保证在最大供水压力时对应于压力传感器电流输出最大，反之亦然，可求出用户要求供水压力时的传感器电流）C. 传感器给定电流（Iset）正比于用户所需的恒定供水压力。

(假设压力传感器输出电流为4~20mA)既：Iset/(Imax-Imin)=C/(A-B)→Iset/(20mA-4mA)=5/(11-1)→Iset/16=5/10→Iset=16*0.5=8mA(5 0%电流)其中Imax=最大电流 Imin=最小电流 Iset=需要给定的电流值D. 而G7系列F84设定电压也正比与设定电流。

常见故障及排除方法
故障现象：水泵不启动 排除方法：检查电源和控制系统是否正常 排除方法：检查电源和控制系统是否正常
故障现象：水泵运行不稳定 排除方法：检查水泵和管道是否堵 塞，调整水泵参数
排除方法：检查水泵和管道是否堵塞，调整水泵参数
故障现象：水压不稳定 排除方法：检查水泵和管道是否泄漏， 调整水泵参数
《变频供水系统》 PPT课件
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汇报人：PPT
目录
01 添 加 目 录 项 标 题 03 变 频 器 原 理 及 应 用 05 变 频 供 水 系 统 调 试 与
维护
07 总 结 与 展 望
02 变 频 供 水 系 统 概 述 04 变 频 供 水 系 统 设 计 06 案 例 分 析 与 实 践 应 用
排除方法：检查水泵和管道是否泄漏，调整水泵参数
故障现象：控制系统故障 排除方法：检查控制系统是否正常， 必要时更换控制系统
排除方法：检查控制系统是否正常，必要时更换控制系统
维护保养建议
定期检查变 频器、水泵、 阀门等设备 的运行情况
定期更换过 滤器、润滑 油等易损件
定期进行系 统清洗，保 持水质清洁
Part One
单击添加章节 标题
Part Two
变频供水系统 概述
定义与工作原理
变频供水系统：通过变频器 控制水泵转速，实现供水压 力的稳定和节能
工作原理：根据用水量变化， 自动调节水泵转速，保持供 水压力恒定
变频器：通过改变频率和电 压，控制水泵转速
节能效果：减少水泵运行能 耗，降低运行成本
添加标题
添加标题
智能化：变频供水系统将更加智 能化，实现远程监控、自动调节 等功能

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• （3）微分控制
• 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号 的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控 制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡 甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或 滞后环节，其变化总是落后于误差的变化。
• 解决的办法是使抑制误差的作用变化“超前”， 即在误差接近于零时，抑制误差仅是放大误差的 幅值，而目前需要增加的是微分项。它能预测误 差变化的趋势。
• PI控制是由比例控制（P）和积分控制（I）组合 成的，根据偏差及时间变化，产生一个执行量。PI 运算是P和I运算之和。
• ②PD控制。
• PD控制是由比例控制（P）和微分控制（D）组 合成的，根据改变动态特性的偏差速率，产生一个 执行量。PD运算是P和D运算之和。
• ③PID控制。
• 利用PI控制和PD控制的优点组合成的控制。 PID运算是P、I和D三个运算的总和。
•
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• 为调试简便起见，一般在供排水、流量控制中只需用P、I 控制即可，D参数较难确定，它容易和干扰因素混淆，在 此类场合也无必要，通常用在温度控制场合。
• PI参数中，P是最为重要的，定性的讲，由于P=1/KP，
所以P越小系统的反应越快，但过小的话会引起振荡而影 响系统的稳定，它起到稳定测量值的作用。
•
XG＝KP（XT－XF）
• 式中，
• XG——频率给定信号； • XT——目标信号； • XF——反馈信号； • KP——放大倍数，也叫比例增益。
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• 对于变频器来说，比例控制实际上就是 将偏差信号（XT－XF）放大了KP倍后再作 为频率给定信号。
•

水塔或高位水箱 供水可靠性高，对过流、过欠压、水位过低及
变频器故障可自行判断处理，具有完备的电气 安全保护及电机故障跨越功能
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变频恒压供水机组应用范围
高层建筑、城镇居民小区、企事业等 生活用水
各种类型的工业用水 各种水厂、污水处理厂、农业排灌站
等供水系统 空调冷热水循环系统 锅炉恒压补水系统 各类旧有供水系统的改造
压力罐的供水原理都是相同的，根据都是 波－马定律：P1V1=P2V2，一定质量的压缩 气体是气压供水设备正常工作的基础。
我司一般采用碳钢隔膜式压力罐。
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补气式压力罐
补气式压力罐工作原理如图所示，当 压力罐内没有水时，控制器启动水泵 往压力罐内注水，水位上升，罐内的 空气被压缩，压力升高，当水位升高 到A点时，控制器控制水泵停机。当 用户用水时，罐内净水在压缩空气的 作用下向用户供水，随着罐内水量减 少，压力下降，当水位下降到B点时， 电脑控制器启动水泵向罐内和管网注 水，这样反复动作达到了自动向用户 加压供水的目的。
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两种工作模式的比较
在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或退出的。当 用水流量变化，变频泵始终处于运行状态，变频泵运行时间最长。为了 均衡各水泵的运行时间，对于变频泵固定运行方式，可以设计成变频泵 定时轮换运行方式。变频泵定时轮换，即任何一台并联泵都有可能成为 变频泵。
按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端进行切换；否 则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受到大电流冲击而降低其 寿命。在变频泵自动轮换过程中，要在变频器的输出端进行切换；为了 保护变频器，在进行自动切换之前应使变频器停止运行。在变频器停止 运行的条件下， 在其输出端进行切换。在切换好后再重新启动变频器 恢复正常运行。因此，自动轮换控制的电路比较复杂，会增加变频控制 柜的造价并降低其使用可靠性。

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2 变频恒压供水介绍
• 下面结合ATV61 变 频器特点来介绍施耐德 变频器在恒压供水中的 应用。Fra bibliotekPPT课件
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3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
ATV61 是针对工业变转矩而于2006 年 3 月推出的一款高性能应用的变频器，功率 范围从 0.75KW 直到 800kW；主要应用于 工业市场的风机、泵和商用建筑热力、通 风、空调暖通（统称HVAC）的专门的风机 泵类的高端应用产品。
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3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
• (2) 限制流量功能： 本功能实现流体的流量限幅，例如在
泵的情况下，为实现需要将变频器的某一 模拟输入设定为外部流量传感器，通过限 制内部速度给定实现流量限制。如果本功 能跟PID 调节器一起使用，限制的将是PID 调节器的输出；
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3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
3.1 ATV61 的基本特点
• (1) 产品开发用于全球市场，符合主要的标 准和国际规范；
• (2) 全中文图形面板，友好的人机界面； • (3) 操作调试简单，可以采用简单配置的
“简单起动”功能，可很好的控制电机；
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3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用
• (6) 用传感器检测零流量： 如果过程使用了流量传感器 (有或无)： 其输出可 以配置给变频器的逻辑输入，在没有流量的情况 下，变频器自由停车。故障消失后过程重新启动；
• (7) 可以配置专用于恒压供水的多泵卡： 最多可以用一台变频器拖动五台泵，使用此卡可 以使ATV61 的功能更加完善：任何流量下系统中 均保持恒定的压力。通过ATV61 对泵设备进行简 单的设置和诊断。更方便的实现恒压供水，同时， 不必再配置软起来起动辅助泵，为客户节省了成 本。

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特点
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自动化程度高，可实现无人值守。
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供水压力稳定，满足各种用水需求。
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节能高效，可有效降低运行成本。
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提高供水品质，减少水锤和压力波动对管网的冲击。
系统组成与工作原理
系统组成
恒压供水系统主要由水泵、电机、压力传感器、控制器等组 成。
02
恒压供水系统的设计与实现
需求分析
用户需求
恒压供水系统需要满足用户对水 压稳定、水量充足的需求，同时
要保证供水安全可靠。
技术要求
系统需要具备高效、稳定、智能的 特点，能够实现自动化控制和远程 监控，提高供水效率和管理水平。
成本预算
在满足用户需求和技术要求的前提 下，系统设计应考虑成本预算，合 理选用材料和设备，降低建设和运 行成本。
定期检查与大修
定期检查
根据设备运行情况，定期对设备 进行全面检查，确保设备正常运 行。
大修
根据设备使用情况，对设备进行 大修，更换磨损的零部件，提高 设备性能和使用寿命。
06
恒压供水系统的案例分析
案例一：某小区恒压供水系统设计
总结词
高效稳定、节能环保
详细描述
该小区采用恒压供水系统，通过变频器调节水泵电机转速，实现管网压力恒定 。该设计提高了供水效率，保证了供水稳定，同时具有节能和环保的优点。
工作原理
通过压力传感器检测管网压力，将压力信号反馈给控制器， 控制器根据设定的压力值与实际压力值进行比较，调节水泵 电机的转速或控制水泵的启停，使供水压力保持恒定。
恒压供水系统的应用场景
高层建筑、居民小区 、公共设施等场合的 供水。

1.系统介绍
（1）变频恒压供水系统的控制方案 但是，必须设置一套备用系统，图2-6中的软
启动器就是作为备用，当变频器或PLC故障时， 可用软启动器手动依次启动各泵运行，以保 证供水不中断。
1.系统介绍
（2）循环投切的工作过程 变频器的输出端只能接负载，不能接电源，也不能
在运行中切断负载，切换过程应严格遵循这些限制。 系统启动后，变频器频率按设定斜率上升，如果频
·变频恒压供水系统由PLC控制器、变频调速器、压力变送器、 水位变送器、交流接触器和其它电控设备及泵组构成，如 图2-3所示。
·在供水系统总出水管上安装压力变送器。PLC具有模拟量输 入模块，可检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信 号，并将检测的压力信号与给定的压力信号的差值经运算 后，输出频率给定给变频器,达到调节电动机的转速，保 持供水压力的恒定的目的。
自动化工程应用实例 （二）
恒压供水系统
一、供水流量调节原理
由水泵-管道供水原理可知，调节供水流量，原则上 有两种方法： 1.节流调节：开大供水阀，流量上升；关小供水阀， 流量下降。水泵转速不变，浪费能量。 2.转速调节：水泵转速升高，供水流量增加，转速 下降，流量降低。对于用水量经常变化的生活用水 场合，节能效果明显。
2.应用实例
（2）方案框图 上位PC机用于管理，用组态软件构成若干工艺
流程图，实时显示系统的运行状况，并统计历 史数据，打印统计报表，还用于故障的报警与 处理。 PLC选用西门子S7-300，采用Profibus现场总 线与总控室的计算机联网。
2.应用实例
（2）方案框图 BP1为160kW变频器 DZ1为400A空气开关 FU1为500A、FU2为600A快速熔断器 KM1-KM10为为LG GMC-400交流接触器 PT为森纳斯压力变送器，量程为1MPa 切换延时定为600ms，无明显电流冲击 据厂家统计，节能20%，每年节约电费10万元

• 解决的办法是使抑制误差的作用变化“超前”， 即在误差接近于零时，抑制误差仅是放大误差的 幅值，而目前需要增加的是微分项。它能预测误 差变化的趋势。
3.变频器内置PID功能
• PID闭环运行，必须首先选择PID闭环功能有 效的情况下，变频器按照给定值和反馈值进行 PID调节。PID调节是过程控制中应用得十分普遍 的一种控制方式。它是使控制系统的被控物理量 能够迅速而准确地接近于控制目标的基本手段。
• (3)多段速只有在在外部操作模式或PU/外部组合 操作模式（Pr.79 = 3，4）中有效。
• (4)当用Pr.180～Pr.186改变端子功能分配时，有 可能对其他的功能产生影响。请确定各端子的功能 后再进行设定。
图3.14 多段速运行示意图
• 对于变频器来说，比例控制实际上就是 将偏差信号（XT－XF）放大了KP倍后再作 为频率给定信号。
•
• （2）积分控制 • 在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号
的积分成正比关系。即使给定频率信号XG的变化 与KP（XT－XF）对时间的积分成正比。
• 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在 稳态误差，则称这个系统为有稳态误差的系统， 简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中 必须引入积分项。积分项对偏差取决于时间的积
• 在PID调节中，必须有两种控制信号： • （1）给定值（又称为设定值）。它是与被控物理
量的控制目标对应的信号。 • 在PID方式中，它指的是对测量值全范围中确定
一个符合现场控制要求的一个数值，并以该数值 为目标值，使系统最终稳定在此值的水平上或范 围内，并且越接近越好。
• 一方面，给定值是和所选传感器的量程有 关的。给定信号的大小由传感器量程的百 分数表示。例如，当目标压力为0.7MPa时， 如所选压力传感器的量程为0-1.0MPa（420mA电流输出），则对应于0.7MPa的给 定量为70％； 如所选压力传感器的量程为 0-5.0MPa（4-20mA电流输出），则对应 于0.6MPa的给定量为14％。

执行器
选用电动调节阀，根据控制器的指令 调节供水管道的流量，实现压力的稳 定控制。
系统软件设计
PLC编程
使用PLC编程软件，根据系统需 求编写控制程序，实现PID算法、
逻辑控制等功能。
通讯设置
设置PLC与变频器、压力传感器等 设备之间的通讯协议和通讯参数， 确保数据传输的准确性和实时性。
人机界面
设计操作简单、直观的人机界面， 便于操作人员对系统进行监控和操作。
未来发展方向与技术革新
智能化控制
随着物联网和人工智能技术的发展，恒压供水变频PID控制系统将向智能化方向发展， 实现更加精准的控制和预测。
多元化能源利用
在节能减排的大背景下，恒压供水系统将结合太阳能、风能等可再生能源，实现多元化 能源的利用。
未来发展方向与技术革新
• 定制化服务：针对不同用户的需求，恒压供水系 统将提供更加定制化的服务，满足不同场景下的 供水需求。
PID控制在恒压供水系统中的作用
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实现恒压供水
通过PID控制，能够实时 监测供水压力并调整水泵 电机转速，使供水压力保 持恒定。
提高供水品质
PID控制能够减小供水压 力波动，提高供水品质， 满足用户对用水舒适度的 需求。
节能降耗
PID控制能够根据实际用 水需求动态调整水泵电机 转速，实现节能降耗，降 低运行成本。
高可靠性、高稳定性
详细描述
某工厂对供水稳定性要求极高，采用恒压供水变频PID控制系统。该系统具备高可靠性和稳定性，能 够确保工厂生产过程中的供水需求，避免因水压波动造成的生产事故。
案例三：某水厂恒压供水系统的优化改造
总结词
节能环保、自动化程度高

比例积分微分调节过程
• 1.比例积分微分调节器的调节过程 • （1）理想微分的PID动态方程
• （2）实际微分的PID动态方程
• （3）阶跃响应曲线
2.比例积分微分调节过程
• 过程分析：把流入量看成三个 部分的和。 q1 qP qI qD
特点： 微分作用能减小动态偏差，加速调节 过程。 微分作用在一定程度上提高了系统的 稳定性 对信号中的高频干扰敏感，容易造成 执行机构的频繁动作。
• 1.几个基本概念
– 静态（稳态）：被调量不随时间变化的平衡状态。 – 动态：被调量随时间变化的不平衡状态。 – 调节过程（过渡过程）：控制系统在受到某一扰动后， 被调量偏离原来的稳态值产生偏差，系统的控制作用 又使其趋近于原来的稳态值。 – 调节过程的本质就是在控制设备的控制作用下，克服 扰动的影星，从动态重新进入稳态的过程。 – 结论：调节过程能够反映调节系统工作品质的好坏。
A
dh K k p h q0 dt A dh 1 h q0 K k p dt K k p
惯性时间常数 T=
A K k p 1 K k p
系统放大系数 K=-
q0 t h(t ) Kq0 (1 e ) (1 e T ) K k p
t T
求输出h（t）
1.1自动控制的基本知识
为了理解自动控制系统的一般概念，首先以人工控制 锅炉汽包水位为例，分析完成一个控制任务的需要哪些功 能，以及这些功能在自动控制系统中是如何实现的。 • 锅炉汽包水位控制示意如图下页所示。下图是锅炉汽 包水位人工控制示意图，图中W为流入锅炉的给水流量，D 为流出锅炉的蒸汽流量，h为汽包水位。水位是表征锅炉运 行状态的一个重要参数。为保证锅炉的安全运行，通常希 望将水位保持在某一规定的数字附近，这个数值就是汽包 水位的希望值，称为水位给定值，用h0表示。水位是反映 锅炉流入量与流出量是否平衡的标志，当实际水位稳定在 希望值附近时，锅炉的流入量与流出量平衡，不需要调节 。当锅炉负荷变化时汽包水位发生变化，操作人员必须调 整给水控制阀凯迪来改变给水流量，使之与蒸汽流量平衡 。 • 为便于分析说明上述控制过程，先介绍自动控制理论 的几个常用术语。