关键词：恒压供水；SINAMICS G120变频器；工艺控制器；宏                                                                                                                                   

Abstract: This paper introduces the application of SINAMICS G120 frequency converter in constant pressure water supply, expounds the working principle of constant pressure water supply, the function of external terminal of frequency converter, the parameter setting and debugging method of technology controller.

Keywords: Constant pressure water supply; SINAMICS G120 inverter; Technology controller; Macro

1  引言

    随着西门子变频器技术的不断进步，处理器速度更快，存储器容量更大，使得编程更容易，组件更小，并且能够处理更复杂的数学和逻辑应用，SINAMICS G120变频器控制单元CU具备了更多的计算及运算功能，它的内部已经集成了PID调节算法，具有PLC或者单片机一样的程序储存性能，在一些特定的场合，如压力、温度、液位或流量的闭环控制，能够替代专用的PID控制仪表和PLC，可以取消传统的PID控制仪表或PLC等硬件设备，降低设备采购及投资成本。

2  恒压供水控制原理

变频调速控制系统：包括快速熔断器、空气开关、输入电抗器、变频器整流器和逆变单元、输出电抗器、电机。由电机学可知，异步电动机的转速为N=N₀(1-s)=60f/P(1-s)，式中，N₀为异步电动机同步转速，f为定子供电频率，P为电动机极对数，s为转差率。恒压供水技术原理是采用变频器调节电动机电源频率大小，调节水泵转速快慢，调节水泵出口压力。现在的恒压供水控制系统运行平稳可靠，可实现无人职守的全自动循环倒泵、变频运行，保证各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转，启动停止平稳，消除启动和停止时大电流冲击，降低泵的平均转速，从而可延长泵的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应减少管道的冲击力。变频恒压供水系统以管网出口水压为反馈参数，通过PID控制仪表或者PLC计算出给定输出频率，从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。当管网用水量增加时，水压降低压力反馈增大，PID输出给定增加，变频器输出频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，水压增加；当管网用水量减少时，水压增加，PID输出给定减少，变频器输出频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，水压降低，循环调节，这样就保证了水压的恒定，满足用户对水压和水量的要求。变频器恒压供水原理图如附图所示。

附图  变频器恒压供水原理图

3  SINAMICS G120使能、启动、停止控制

西门子变频器SINAMICS G120系列功能强大，操作简单,扩展性强，具有多种参数可供用户进行设定，用户在使用和调试过程简单便捷。同时在硬件上受益于模块化设计，便于单独采购变频器的子部件（功率单元、控制单元、电源模板），而不用整机更换，节约了维护成本和库存成本，提高了效益。用户在使用西门子变频器SINAMICS G120时，如果需要进行设备更换，可以通过基本操作面板和MMC卡进行参数拷贝，不需要逐条重新输入参数，大大提高了效率。完善的保护功能：具有过流、缺相、过压、过热、过载等多种保护，运行中如有故障，自动停止工作并报警输出；系统具有自检、故障判断、故障记忆、故障显示，因而在恒压供水及其他工业控制中应用广泛。SINAMICS G120系列的核心是控制单元CU，用户通过设定控制单元上的参数来实现变频器的正常运行。SINAMICS G120为满足不同的接口定义提供了多种预定义接口宏，每种宏对应着一种接线方式。选择其中一种宏后变频器会自动设置与其接线方式相对应的一些参数，这样极大方便了用户的快速调试，下面以简单操作面板BOP作调试说明：

（1）在SETUP菜单点reset-YES恢复出厂设置，或在菜单“Extras”中选择“DRVRESET”；

（2）在SETUP菜单快速电机参数调试：

P1300=0——采用线性特性曲线的V/f控制

P300=1——异步电动机

P304=400V——电机额定电压

P305=28.4A——电机额定电流

P307=15kW——电机额度功率

P311=50Hz——电机额度频率

P314=1——电机磁极对数

P1080=0——电机最小转速

P1082——电机最大转速

P1120=15——加速时间

P1121=15——减速时间

（3）静态优化：专家参数P1900=2，HAND 启动，P971=1，保存参数。

4  变频器CU240S外部接线端子功能定义

SINAMICS G120为满足不同的接口定义提供了多种预定义接口宏，每种宏对应着一种接线方式。选择其中一种宏后变频器会自动设置与其接线方式相对应的一些参数，这样极大方便了用户的快速调试。在选用宏功能时请注意以下两点：如果其中一种宏定义的接口方式完全符合实际应用，那么按照该宏的接线方式设计原理图，并在调试时选择相应的宏功能即可方便的实现控制要求。如果所定义宏的接口方式都不能完全符合应用要求，那么请选择与布线比较相近的宏，然后根据需要来调整输入/输出的配置。

宏程序12——端子启动模拟量调速P15=12

3#4模拟量输入——压力反馈信号——P2264=r755.0

反馈信号类型——4-20Ma——P756[0]=3

（注：将P0756修改为3后，变频器会设置以下定标曲线参数值（P0757[0]=4.0；P0758[0]=0.0；P0759[0]=20；P0760[0]=100，也就是4mA对应0，20mA对应100%）

5#端子——变频器启动——P840=r772.0

7#端子——变频器故障复位——P2103=r772.2

17#端子——变频器运行输出——P0731=r52.2

19#端子——变频器故障输出——P0732=r52.3

与宏12一致的接线图可参考变频器相关说明书。

变频器输出速度参数设定：工艺控制器是PID控制器（带比例元件、积分元件和微分元件的控制器），工艺控制器用来控制过程数据，如压力、温度、液位或流量。

转速主设定值与工艺控制器的输出进行互联——P1070=2294

工艺控制器使能——P2200=1

压力设定百分数——P2201=28为现场是使用的压力传感器量程是16ba,水泵出口压力设定值为4.5，4.5/16=28%，如需调整出口压力调整此值。

固定值为二进制选择——P2216=2

固定设定值P2201被选中——P2220=1

工艺控制器提供主设定值——P2251=0

固定设定值P2201与工艺控制器的设定值互联——P2253=2224

PID斜坡上升时间——P2257=0.1s

PID斜坡下降时间——P2258=0.1s

实际压力反馈滤波时间——P2265=0.1s

控制器的输出值为实际值——P2270=0

微分时间——P2274=3

比例增益——P2280=0.5

积分时间——P2285=15

5  优化工艺控制器控制参数

（1）对动态性能的影响：积分系数Kp通常使系统的稳定性下降。Kp太大，系统将不稳定；Kp偏大，振荡次数较多；Kp太小，对系统性能的影响减少；而当Kp合适时，过渡特性比较理想。

（2）对稳态性能的影响：积分系数Ti能消除系统的静差，提高控制系统的控制精度。但是若Kp太小时，积分作用太弱，以致不能减小静差。

（3）微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

（4）对系数实行“先比例，后积分，再微分”的整定步骤。

6  结束语

    SINAMICS G120变频器自带内置的PID控制器，对于内部参数设定,一般技术人员进行短期培训即可掌握调试方法。这种恒压给水设备，操作维护简单，既可以很好的满足用水要求，又可以节约能源，同时投资成本较低，设备运行可靠，值得在供水系统上推广。

参考文献：

[1]西门子变频器G120-CU240S简明作手册[Z].

[2]西门子变频器 G120 操作手册 中文高清版[Z].

[3]黄友锐，曲立国。 PID控制器参数整定与实现[M]. 科学出版社,2017-10.