台达CP2000变频器在供水行业的应用

1   供水系统概况

       供水控制系统是以某一参量作为控制目标，通过对水泵电机进行控制来改变水泵的运行工况（如流量、扬程、功率），以达到用户的需求。根据控制目标对象的不同可分为压力控制、液位控制及其他特殊控制方式，如温度、差压和温差。从电控系统类型上分有普通继电控制型和变频调速控制型，普通继电型通过控制交流接触器控制水泵电机的起停，水泵电机处于工频及停止状态，起动方式有软起动、自耦变压器起动或直接起动。变频调速系统对电机的转速实现无级调速，根据用水量大小进行变速供水，保证出水压力不变。既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。高层建筑及生活小区供水系统的发展方向是采用现代检测技术、计算机控制技术、交流调速技术，形成组合化、模块化、可编程、可通信的系统。主要组成部分是PLC系统、PID控制器、变频器、电机、水泵、压力传感器。

2  供水系统方案及比较

       水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定。这样既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

       水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康，所以这种方案终将淘汰。

图1 变频恒压供水系统主电路

3  变频恒压供水系统控制方案

       供水系统主要应用的PID恒压控制功能、多泵循环控制功能以及睡眠功能，不同水泵厂商会采用不同方案来实现这些功能。

3.1 方案1

       采用PLC控制系统实现PID控制和多泵循环功能，变频器仅做基本调速。图2为方案1实施系统。
 

图2 PLC控制系统实现供水

       在工作过程中，压力传感器将管网水压变换为电压或电流信号，经模拟量输入通道输入PLC系统，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，由PLC将速度命令发送至变频器，调节水泵电机的频率，PLC与变频器间采用Modbus通信、0-10V/4-20mA控制。

3.2 方案2

       不配置PLC采用变频器内部的PID功能，变频器驱动水泵台数较少，一般为2台，水泵的切换循环功能也由变频器控制。

 图3 PID内部功能实现供水

3.3 方案3

       采用变频器内部PID控制功能，水泵数量较多，一般在三台以上，由PLC实现灵活的循环控制及故障切换保护。

4  台达CP2000变频器功能与设置

       台达CP2000系列变频器拥有内部PID功、多泵循环功能以及内置PLC，可以通过变频器实现以上功能。

4.1 PID控制功能

       CP2000变频器内部PID回授信号可以选择正回授及负回授两种方式（08-00），负回授对应，当输出频率增加，电机运转速度增大时，检测反馈信号也会增大的应用场合；当需要减小输出频率时检测反馈信号增大时，选择正回授。回授接口端子的选参数设置如表1所示。

表1 回授接口端子的选参数

PID的目标值参数设置如表2所示。

表2 PID目标值参数

4.2 睡眠唤醒功能

       CP2000可设置睡眠频率08-10、睡眠时间08-12和苏醒频率08-11，当频率命令低于睡眠频率时，在睡眠时间内，变频器运转频率为睡眠频率08-10，当给定低于睡眠频率的时间超过睡眠时间时，变频器进入睡眠状态，输出频率为0，直至速度命令达到苏醒频率时，变频器进入苏醒状态，按频率给定命令运行。图4为睡眠、苏醒功能示意图。

图4 睡眠、苏醒功能示意图

4.3 多泵循环功能

        CP2000有五种循环方式，一台变频器最多可驱动8组电机。

4.4 定时循环

       最多可以控制8台电机，每台电机工作于变频或停止状态，每个时刻有一台电机运行，电机按顺序运行设定的时间（参数12.02设定）后停止，延时（参数12.03）后，起动下一台电机，循环控制多台电机，防止某些电机长期工作，而某些电机长期不工作的情况出现。

图5  以4台电机为例定时循环控制配线图

4.5 定量循环

        最多可以控制4台电机，每台电机可以工作于变频和工频状态。加泵过程，当现有运行电机不能满足压力或流量要求时，将变频运行的电机加速后切换至工频电源驱动，再变频起动下一台电机，依次增加电机数量，最后工作于若干台电机工频运行与一台电机变频运行模式。

       减泵过程，当运行时的压力（或）流量大于设定值时，需要减泵降速运行，变频电机开始减速；若减速到某转速时，满足要求，系统维持状态继续运行；若变频电机速度停止运行后，压力（或流量）仍大于设定值，系统将停止一台工频电机。若此时压力（或流量）仍大于设定值，则系统再停止一台工频电机；若此时压力或（流量）小于设定值时，将一台电机启动工作于变频状态，保持若干电机工频运行、一台电机变频运行的模式。

图6 以4台电机为例定量循环控制配线图（最多4台）

4.6 定量控制

       最多可以驱动8台工频运行电机和1台变频运行的电机。

       加泵过程，第1台电机变频运行到切换频率后，如果压力（或流量）小于设定值，系统增加一台工频运行的电机，最后系统工作于一台电机变频运行、若干台电机工频运行状态。

       减泵过程，若系统的压力（或流量）大于设定值，首先变频运行的电机开始减速，根据给定与反馈值比较，直至速度减到最小设定频率，若压力（或流量）仍大于设定值，减少工频运行电机，直到反馈值小于给定值时，变频电机加速到合适转速，最后系统也工作于一台电机变频运行、若干台电机工频运行状态。

图7 以4台电机为例定量控制配线图（最多8台电机）

4.7 定时循环+定量循环

       系统处于定量循环模式工作时，压力（或流量）需求较少时，只有部分电机工作，有的电机可能处于较长时间不运行，这时可以用定时循环的模式循环运行电机。

       定时循环+定量控制主要实现方式是，系统在定量控制模式工作时，压力（或流量）需求较小时，只有部分电机工作，有的电机会处于长时间不运行状态，这时可以增加定时循环功能使电机循环工作。表3为恒压供水系统CP2000变频器关键参数设置。

表3 恒压供水系统CP2000变频器关键参数

作者简介：

       邱佩服，男，出生于1980年12月，毕业于北京机械工业学院，自动化专业。现任中达电通股份有限公司变频器产品处高级应用工程师，从事变频器项目类应用相关技术工作。