變頻器內置PID功能在造紙廠消防系統中的應用

屈細紅

摘要：造紙廠是一級防火單位，在目前的造紙消防系統中，很多利用變頻器調速以使供水設備恒壓。本文介紹了帶有內置PID功能的變頻器。根據造紙廠消防系統中水管壓力變化，利用變頻器內置PID功能，自動調節變頻器的輸出頻率而使水泵中的電機轉速發生變化，通過調節水泵的供水能力，保持管網水壓力恒定，確保消防系統供水壓力穩定可靠。此變頻器適用于造紙等一級消防單位消防系統。

關鍵詞：變頻器； PID；壓力；恒壓供水

中圖分類號：TP2

文獻標識碼：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802009

隨著國家對于消防安全要求的提高以及工廠規模的不斷增大，消防泵的作用越來越大。在試驗消防水泵、火災初期噴水量不大的情況下，水泵全速運行容易造成超壓事故甚至爆管，因此利用變頻器的PID功能調控消防系統壓力，可增加消防系統的安全性。現在造紙單位消防系統中，很多利用變頻器調速以使供水設備恒壓，采用了帶有模擬量輸入輸出的可編程控制器，這樣可在一定程度上提升消防系統的安全性。然而這會使設備成本升高，增加調試困難。隨著電力電子技術的發展，帶有內置PID功能的變頻器可以替代原有的可編程控制器，不僅可以降低供水設備成本、提高生產效率且運行安全可靠。本文對該變頻器進行介紹。

1消防系統配置

造紙單位是一級防火單位，消防安全至關重要。某造紙單位消防系統配置了2臺功率為160 kW消防水泵及2臺75 kW穩壓水泵，均采用VACON變頻器控制消防系統，現場設置情況如圖1所示。

在試驗消防水泵或火災初期噴水量不大的情況下，水泵全速運行容易造成超壓事故甚至爆管。因此宜啟用2臺160 kW消防泵，利用變頻器內部PID功能調節管道壓力，現場設有操作按鈕箱，電氣控制柜上有手動和自動兩種控制模式，手動有本柜手動和現場控制箱上手動控制兩種模式。無論手動還是自動模式都可以啟動或停止水泵運行。水泵運行速度通過管道上壓力傳感器輸出的電信號值與變頻器內部的PID值來調節，消防系統除了在控制柜和現場按鈕箱上能控制消防水泵的啟停外，還能在值班室控制消防水泵啟停，如遇上火災等緊急情況時，拍下標有火警消防按鈕（XF），則變頻器立即轉變為工頻全速運行（50 Hz），并以最高的運轉速率確保最大水泵供水能力。

在正常情況下，特別是消防水管獨立設置時，消防用水量極少，為了防止在低頻下2臺160 kW消防水泵頻繁啟停，本設計采用2臺75 kW穩壓水泵來控制消防水泵的啟停。穩壓水泵也有自動和手動兩種控制模式，手動模式即根據需要人為需求啟停水泵，在正常情況下2臺恒壓水泵均設置為自動模式，即根據水管壓力自動啟動穩壓水泵。現場安裝有接點式壓力表，壓力表可根據需要設置兩個不同的壓力值，即穩壓壓力值和超高壓力保護值。某單位設定穩壓壓力值為07 MPa（綠色表針）及超高壓壓力保護值09 MPa（紅色表針），即當水管實際總壓力低于07 MPa時，自動啟動穩壓水泵（自動啟動一臺或二臺）來補充水管壓力，當水管總壓力高于07 MPa時，穩壓泵會自動停止運行。當接點式壓力表綠色表針設置失效時，超高壓壓力會進行工作，當實際壓力高于09 MPa時，穩壓水泵自動停止運行，超高壓力開始起到保護作用，變頻器參數設置如表1所示。根據表1可知：160 kW大泵設定壓力為065 MPa，即管道壓力低于065 MPa時，2臺160 kW消防水泵才啟動，這樣有效避免了在正常情況下用水量少時，2臺160 kW消防水泵長期低頻運行的不利情況。

2消防系統電氣控制原理及參數設置

21消防系統電氣控制原理

圖2為某造紙單位消防系統160 kW水泵電氣控制原理圖，當圖2電路中斷路器QF1合上后，如在本地手動模式下，合上SB2按鈕或者在現場操作箱上合上SB4按鈕，或者換至自動模式，KA1接觸器均得電吸合，電機將啟動運行，此時電磁閥DCF1因未得電處在常開狀態，電磁閥DCF2也因未得電，處在常閉狀態，壓力傳感器能檢測到管網的供水實際壓力，檢測到的壓力作為控制流量變化的參考變量，并將壓力信號轉換為電信號送至變頻器。當用水量減少，

供水能力大于用水需求時，水壓上升，經壓力傳感器反饋的電信號變大，變頻器內部設定的目標值與反饋值的偏差值變小，該比較信號經變頻器內部PID處理后的頻率給定信號變小，變頻器輸出頻率下降，消防水泵轉速下降，供水能力下降，直到壓力值等于目標值，供水能力與用水需求之間達到平衡時，即實現恒壓供水。反之當用水量增加，供水能力小于用水需求時，水壓下降，經壓力傳感器反饋的電信號變小，變頻器內部設定的目標值與反饋值的偏差值變大，該比較信號經變頻器內部PID處理后的頻率給定

值信號變大，變頻器輸出頻率增加，消防水泵轉速加大，供水能力提升，直到壓力值等于目標值，供水能力與用水需求之間達到平衡時，即又實現恒壓供水。

當發生緊急情況時，按下值班室XF按鈕，繼電器KA4得電，常開電磁閥DCF1得電關閉，常閉電磁閥DCF2得電打開，這樣傳感器檢測到的壓力始終趨近于0，經壓力傳感器反饋的電信號變小，趨近于最低值，變頻器內部設定的目標值與反饋值一直處于最大偏差，該比較信號經變頻器內部PID處理后的頻率給定值信號一直處于最大值，變頻器以最大頻率（50 Hz）輸出，消防水泵以工頻速率運行。如按下XF按鈕，則恢復之前的運行模式。消防水泵管道實際壓力顯示在AT儀表盤上。2臺75 kW穩壓水泵的電氣控制，利用壓力繼電器信號作為變頻器的啟停控制信號，因電機功率小，速度可選用固定頻率設置即可。

22變頻器電路原理圖及參數設置

VACON變頻器內置PID功能電路原理圖如圖3所示。

圖3中VACON變頻器端子+24V和DIN1接KA1繼電器的一對常開觸點，常開觸點閉合可以啟動變頻器運行，常開觸點打開可以停止變頻器運行，R01是變頻器運行反饋信號，R02是變頻器故障信號，AI2+和+24V 接來自管道上壓力傳感器線。

VACON變頻器在菜單M6下的S62中選擇PID應用宏。變頻器參數設置見表1。

系統中，采用0～1 MPa的壓力傳感器，管道壓力要求穩定在065 MPa，則065 MPa 對應的百分數為65%，故在VACON變頻器M3菜單參數P34設置為65%。將VACON變頻器內部菜單M2下參數P211，P212，P213，P214，P215，P216，P217，P218，P219，P2110，按照表1數據設置。VOCON變頻器M2菜單下參數P2111將PID控制器參考信號源設置為1=模擬電流輸入。VACON變頻器M2菜單下P226、P2223， P2224， P238， P239按照表1數據設置完成。

3結語

根據消防系統中水管內壓力變化，變頻器自動調節輸出頻率而使水泵中電機轉速發生變化，并且通過內部PID的調節，保持管網水壓力恒定，不僅高效節能，且對管網的沖擊小，運行平穩。另外，造紙單位為消防重點單位，設計好消防系統的電氣控制，對造紙單位消防安全非常重要。

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（責任編輯：吳博士）