孙润喜
摘 要：该文首先介绍了恒压控制系统的应用范围;其次对恒压控制系统的工作原理做了简述，重点对恒压控制系统的控制方法进行介绍：V/F控制、开环V/F控制、闭环V/F控制、PID控制原理、PID智能仪表配合变频恒压控制系统及触摸屏和PLC配合变频恒压控制系统;最后说明了变频恒压控制系统的优势：方便快捷、安全可靠、系统组网简单及容易实现无人值守工作站，适用于物联网和智慧工业系统。
关键词：恒压控制系统 变频器 压力变送器 PLC 全闭环控制 PID控制
中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）05（c）-0035-03
Abstract： This paper first introduces the application range of the constant voltage control system; secondly， it briefly describes the working principle of the constant voltage control system; focuses on the control methods of the constant voltage control system：V/F control，open loop V/F control， closed-loop V/F control，PID control principle，PID intelligent instrument with variable frequency constant voltage control system and touch screen and PLC with variable frequency constant voltage control system; Finally， the advantages of variable frequency constant voltage control system are explained： convenient， fast and safe Reliable， simple system networking and easy to implement unattended workstations， suitable for the Internet of Things and smart industrial systems.
Key Words： Constant pressure control system; Inverter; Pressure transmitter; PLC; Full closed loop control; PID control
恒压供水系统广泛应用于自来水厂、生活小区及消防供水，部分工业企业、生活、生产供水及企业自用水系统，污水处理、水景喷泉、排灌系统等;而恒压注水主要应用于油田、地热源利用废水回灌等行业。不论是供水控制系统还是注水控制系统，压力稳定是系统最主要控制对象;恒压供水控制及恒压注水系统是在变频调速技术成熟后快速发展起来。变频器的主要功能是调频控制、调速控制、转向控制、启停控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压控制系统中，变频器是主要的控制运行电气设备，为了保证管网压力恒定，还需要安装压力控制器和压力传感器，构成闭环控制系统。随着变频技术的发展和变频恒压控制系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点，同时节能效果显著，国内外许多生产厂家开发出带恒压控制功能的变频器，方便用户选择。
1 恒压控制系统原理
在设备运行中，由于负荷的变化，使管网压力发生变化，通过压力传感器将压力信号传给运行控制器，经控制器与设定压力进行比较运算后生成最佳控制信号，控制泵运转，调整管网流量使管网压力稳定在设定的压力值，满足系统要求。
來此管网压力信号，经控制器判断分析：若系统负荷不变，控制主泵系统处于休眠状态;若系统负荷很小，控制主泵系统处于低频率运行;若系统负荷很大，控制主泵系统处于高频率运行;使系统压力稳定在设定值，满足控制系统要求。
恒压控制系统能够保持管网压力的恒定，可使管网和负荷之间保持平衡，即负荷大时管网流量大压力大，负荷小时管网流量小压力小，从而提高了系统的稳定和服务质量。
2 恒压控制系统控制方法
恒压控制系统从最开始的人工参与操作到目前全自动无人值守控制，发展速度很快，特别是恒压变频调速的应用，使得恒压控制系统变得非常方便简单快捷，通过闭环PID调节更能够实现精细化控制;配合PLC及触摸屏系统，自动化程度更高，可以实现无人值守控制及远程监控。
2.1 恒压控制系统方法
（1）工频水泵或者工频软启动水泵配合管道阀门控制压力。
管道阀门分为两种：一种是手动阀门，另一种是电动阀门。手动阀门是通过人工操作控制阀门开度来实现管道系统压力和流量，在控制压力变换不大或者系统负荷比较稳定时采用;电动阀门是通过电动调节执行器控制阀门开度，实现管道系统压力和流量控制，自动化程度高，控制精度好，在暖通系统及换热系统中应用得比较多。
（2）变频恒压控制系统。
变频器工作原理：变频器将输入的50Hz交流电源转换为直流电源DC，然后经过逆变器转换为可变电压及可变频率输出。变频器能够按照恒压系统需要将0～50Hz的频率信号提供给泵电机，调整其转速。变频器功能强大，参数功能丰富，有预编制好的功能宏应用，使用时只需要设置少量几个参数即可完成，其他参数默认应用宏的缺省值而不需要调整。如果系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制，则变频器根据对应的压力设定值与从压力传感器获得的反馈信号进行比较运算，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。
变频器是实现电机控制的常用的工业设备，主要是通过改变电机的电源输出的大小和频率。利用变频器，可以实现被控制的交流电机变频调速、功率因素、過电流过电压保护、过载保护等，从而更好地控制整个电机的运作和运行，提高电能的利用率和整个系统的工作效率。
2.2 变频器用于控制电动机速度的方法
2.2.1 V/F控制
在电动机中，电动机定子中感应的电压与频率和气隙磁通量成正比。如果我们降低频率保持电压恒定，则气隙通量会增加。因此要改变速度，我们必须保持V/F比不变。V/F控制技术具有低启动电流和宽范围速度等优点。
2.2.2 开环V/F控制
为了实现动态速度响应，开环V/F控制在工业中得到应用。在该方法中，定子电压和频率同时变化。气隙通量保持不变，V/F比保持不变。
2.2.3 闭环V/F控制
在闭环V/F控制中，应用转速传感器，测量反馈电动机实际转速，经过与设定转速比较，从而控制电压与频率比值得变化，保持V/F比恒定。
2.2.4 PID控制器能够方便快捷地实现闭环功能
PID控制原理：PID（proportion integration differentiation）其实就是指比例、积分、微分控制，其控制原理图如图1所示。
要维持输出控制信号稳定，必须使实际的运行信号与预期的设定值进行比较判断，形成闭环系统，才能实现PID调节控制。
管路上安装的压力变送器，采样管网系统压力瞬时变化，作为反馈信号，构成闭环控制系统。如果恒压控制是非线性、大惯性的系统，适宜采用模糊控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度;在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。模糊控制可以通过PLC配合智能仪表实现，简单方便，经济实用。
3 PID智能仪表配合变频恒压控制系统
管路压力变送器连接PID智能仪表，反馈的实时压力值传送给PID智能仪表，与PID智能仪表设定值进行PID运算后输出运行控制信号，控制变频器恒压运行。
4 触摸屏和PLC配合变频恒压控制系统
（1）基本工作原理。
系统以PLC为控制核心，通过触摸屏或者上位机界面设定所需压力，当压力设定好后，根据变频恒压原理，利用安装在管网输出口的压力变送器，对管网实时压力进行数据采样，并将压力信号转换为电信号送入PLC，与设定压力进行比较和运算，并将结果转换为频率调节信号，送给变频器，变频器据此调节泵电机的电源频率，进而调整泵的转速，使管网中的压力保持在设定压力，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
（2）系统组成及功能。
恒压控制系统由泵及泵电机、PLC、变频器、压力传感器、断路器、接触器、中间继电器等组成;通过操作面板上的指示灯、触摸屏监视系统运行状态，通过按钮、转换开关、控制器、智能仪表、PLC、变频器等控制系统运行;安装在输出管网上的压力传感器将压力信号转化为4～20mA或者0～10V的标准信号送入PLC，经PID运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制泵电机转速，调节管网系统流量，使系统管网压力保持在给定压力。当负荷变化时，输入电机的电压和频率也随之变化。这样就构成了以管网输出压力设定值为基准的闭环控制系统。
（3）PLC与上位机的通信连接及程序设计。
工控机是上位机，PLC是下位机;上位机实时监控系统运行状态，并把各传感器反馈的信号实时采集到工控机处理并显示，同时可对下位机的设定压力值进行调整;下位机对管网压力控制，同时可接受上位机来的设定值，及时调整管路压力。
（4）上位机界面应用厂家组态软件进行开发，触摸屏界面应用厂家软件进行组态。
5 变频恒压控制系统优势
近年来，随着变频调速技术的日益成熟，变频恒压控制系统显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水和注水系统中得到了广泛应用。变频恒压控制系统对泵电机级调速，依据压力变化经过控制器或者上位机的运算分析判断给出控制信号，控制泵电机转速，保持系统压力恒定，安全可靠，节能高效。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有一定的优势。
变频恒压控制系统同其他控制方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势。
（1）恒压控制技术因采用变频器改变电动机电源频率，达到调节泵电机转速改变泵出口压力，比单靠调节阀门的控制泵出口压力的方式，具有降低管道阻力、减少截流损失的效能。
（2）由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。
（3）泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，大大减轻了对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振，彻底消除水锤现象。
（4）实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。
（5）恒压自动控制系统结合现代互联网技术，容易实现无人值守工作站。
6 结语
随着科技的进步和新技术的应用，物联网的发展，变频恒压控制系统会更加完善，应用会越来越广泛，自动稳定、安全可靠、环保节能的社会效益更加明显。
参考文献
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[2] 高安邦，胡乃文，马欣.通用变频器应用技术完全攻略[M].北京：化学工业出版社，2017.
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