PLC全自動(dòng)變頻恒壓供水

1、第第 頁(yè)共7頁(yè)P(yáng)LC全自動(dòng)變頻恒壓供水它主要由水泵、氣壓罐、智能控制(變頻控制柜由斷路器、變頻器、接觸器、中間繼電器、PLC)系統(tǒng)等組成。一、變頻恒壓供水特點(diǎn):恒壓供水能自動(dòng)24小時(shí)維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，無(wú)級(jí)調(diào)整壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會(huì)造成管網(wǎng)破裂及水龍頭共振現(xiàn)象。起動(dòng)平滑，減少電機(jī)水泵的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)及水泵的使用壽命，避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象。采用變頻恒壓供水保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，具有欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)功能。系統(tǒng)配置可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)定時(shí)供水,徹底實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)供水?？刂葡到y(tǒng)具有故障報(bào)警和顯示功能,并可進(jìn)行工變頻轉(zhuǎn)換,應(yīng)急供水。系統(tǒng)根據(jù)用水量的

2、變化來(lái)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵始終工作在高效區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)零流量時(shí),機(jī)組進(jìn)入休眠狀態(tài),水泵停止，流量增加后才進(jìn)行工作,節(jié)電效果明顯，比恒速水泵可節(jié)電23%-55%。整套設(shè)備只需一組控制柜和水泵機(jī)組，安裝非常方便，占地面積少。本設(shè)備采用全自動(dòng)控制，操作人員只需轉(zhuǎn)換電控柜開(kāi)關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)所需工況，操作簡(jiǎn)單。起動(dòng)平衡，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門等的使用壽命；10、外部接線簡(jiǎn)單:只需通過(guò)菜單設(shè)置，即可使控制器適用于不同的供水控制系統(tǒng)；無(wú)需改變復(fù)雜的外部接線。11、可靠性:由于控制器已將各種功能模塊集成于內(nèi)部，外部配件少，進(jìn)一步降低了整

3、個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)。12、調(diào)試簡(jiǎn)單方便:豐富而完美的漢字提示。13、系統(tǒng)功能完善:在設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)，工程人員可根據(jù)泵組的實(shí)際情況在顯示下，隨時(shí)改變各種控制參數(shù)，保證泵組處于最優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)。14、控制精度高：控制程序中所有的模擬量均為數(shù)碼處理。改良的PID數(shù)字控制系統(tǒng)能夠避免一般PID死區(qū)(對(duì)水泵控制而言)所帶來(lái)的控制誤差，使系統(tǒng)的供水壓力更加穩(wěn)定。15、睡眠功能的最新應(yīng)用，可使機(jī)組在每天的零流量的區(qū)域中自動(dòng)啟、停，間歇型的供水方式,使節(jié)電效果更佳。16、控制功能先進(jìn)：控制系統(tǒng)可在漢字顯示屏上明確顯示其工頻、變頻、轉(zhuǎn)換的運(yùn)行工況。17、維修簡(jiǎn)單方便：獨(dú)有的系統(tǒng)故障檢測(cè)、明確的故障部位(中文)提

4、示,使工程人員能夠清楚地了解故障所在,幫助維修人員檢查故障發(fā)生的部位的部位和原因。二、設(shè)備選型說(shuō)明1.供水系統(tǒng)選用原則(1)蓄水池容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量。(2)水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度。(3)水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。(4)變頻控制柜選型：根據(jù)供水量和供水高度確定水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)，然后對(duì)控制柜進(jìn)行選型。該設(shè)備通過(guò)安裝在水泵出水總管上的遠(yuǎn)傳壓力表(內(nèi)為一滑動(dòng)電阻)，將出口壓力轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并送入可編程序控制器，經(jīng)可編程內(nèi)部PID運(yùn)算，得出一調(diào)節(jié)參量，并將該參量送入D/A轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)數(shù)摸轉(zhuǎn)換后將得出模擬量傳送變頻器，進(jìn)而控制其輸出頻率

5、的變化。設(shè)備采用多泵并聯(lián)的供水方式，用水量的大小決定了投入運(yùn)行的水泵的數(shù)量，當(dāng)用水量較小時(shí)，單臺(tái)泵變頻工作，當(dāng)用水量增加，水泵運(yùn)行頻率隨之增加，如達(dá)到水泵額定輸出功率仍無(wú)法滿足用戶供水要求時(shí)，該泵自動(dòng)轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行狀態(tài)，并變頻啟動(dòng)下一臺(tái)水泵。反之，當(dāng)用水量減少，則降低水泵運(yùn)行頻率直至設(shè)定下限運(yùn)行頻率，如供水量仍大于用水量，則自動(dòng)停止工頻運(yùn)行泵同時(shí)變頻泵轉(zhuǎn)速增加。當(dāng)用水量降至某一程度時(shí)（如夜間用水很少時(shí)），變頻主泵停止工作，改由小型氣壓罐供水。三、變頻節(jié)能理論1、交流電機(jī)變頻調(diào)速原理交流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性：n=60f（1-s）/p，其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對(duì)數(shù)。電機(jī)選定之后

6、s、p則為定值，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f成正比，使用變頻器來(lái)改變交流電頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)變頻無(wú)級(jí)調(diào)速。2、根據(jù)離心泵的負(fù)載工作原理可知：流量與轉(zhuǎn)速成正比：Q8N轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：T8N2功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：P8N3而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機(jī)軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術(shù)供水時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：P變=N3P額=、3P額采用出口閥控制流量的方式，電機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：P閥=（0.4+0.6Q）P額其中，P為功率N為轉(zhuǎn)速例如設(shè)定當(dāng)前流量為水泵額定流量的60%，則采用變頻調(diào)速時(shí)P變=Q3P額=0.216P

7、額，而采用閥門控制時(shí)P閥=（0.4+0.6Q）P額=0.76P額，節(jié)電=（P閥-P變）/P閥*100%=71.6%。流量%1009080706050節(jié)電率%022.541.861.571.682.1變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇1、變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選?。?）、合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水。通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒壓控制，另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。（2）、變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，在啟動(dòng)和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間不相同，設(shè)定時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致變頻器在加速時(shí)過(guò)電流、在減速時(shí)過(guò)電壓

8、保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處在短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。對(duì)于水泵電機(jī)，加減速時(shí)間的選擇在0.2-20秒之間。變頻調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾對(duì)策具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路線（AC380v）及控制線AC220v）完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。正確的接地

9、既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來(lái)干擾，又能降低設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線（中線）、地線（保護(hù)接地、系統(tǒng)接地）不分、控制系統(tǒng)屏蔽地（控制信號(hào)屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地）的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于變頻器，主回路端子PE（e、g）的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實(shí)際應(yīng)用中一定要非常重視。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm2,長(zhǎng)度控制在20m以內(nèi)。變頻器的接地與其它動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開(kāi)，不能共地。采用電抗器在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等所）所占的比重是很高的，它

10、們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o(wú)功功率，使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據(jù)接線位置的不同，主要有以下兩種：（1）交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間。其主要功能有：通過(guò)抑制諧波電流，將功率因數(shù)提高至（0.75-0.85）；削弱輸入電路中的浪涌電流對(duì)變頻器的沖擊；削弱電源電壓不平衡的影響。（2）直流電抗器串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數(shù)方面比交流電抗器有效，可達(dá)0.95，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。4、合理布線對(duì)于通過(guò)感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào)，可以通

11、過(guò)合理布線的方式來(lái)削弱。具體方法有：設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線；其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)避免和變頻器的輸入、輸出線平行；六、.變頻恒壓供水技術(shù)概述水泵的輸出特性既決定于水泵的種類，也隨供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性曲線不同而不同。離心式水泵的特性公式如下：PkHQ/式中，P為水泵的功耗（kW）；Q為使用工況點(diǎn)的水泵流量（m3/s）;H為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（m）;k為輸出介質(zhì)常數(shù)（kg/m3）；n為使用工況點(diǎn)的泵效率（%）。BOa&A.圖1離心水泵的H-Q曲線BOa&A.圖1給出了離心式水泵的H-Q曲線，可見(jiàn)，在水泵的工作過(guò)程中，在等于原設(shè)計(jì)工況（點(diǎn)A）時(shí)效率最高，偏離這個(gè)工況（點(diǎn)

12、在B、C兩點(diǎn)間）效率就會(huì)降低。根據(jù)水泵理論的相似定律，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，它的揚(yáng)程H、流量Q及水泵功率P也隨之變化，它們之間的關(guān)系可以表示為：TOC o 1-5 h zQn，、Q1n1（2）P2（4）流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比；揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；水泵功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。供水管網(wǎng)的H-Q曲線如圖2所示。管網(wǎng)裝置特性（H-Q）可根據(jù)閘閥全開(kāi)時(shí)測(cè)得的各種數(shù)據(jù)由式Hi。2Hj求得。其中Hj為水泵的進(jìn)出口水位高度差（m），其大小與流量Q無(wú)關(guān)；a為供水管路的阻力系數(shù)。管網(wǎng)特性曲線與泵特性曲線之交點(diǎn)即為泵的正常使用工況點(diǎn)。.變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的核心在于使用一

13、臺(tái)或幾臺(tái)變頻器對(duì)供水系統(tǒng)的水泵進(jìn)行變頻控制，使供水水泵盡量工作在最佳效率狀態(tài)。圖2供水管網(wǎng)的H-Q曲線變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理圖3圖2供水管網(wǎng)的H-Q曲線在圖3中，水泵額定運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)D是泵的特性曲線Nn與管路阻力曲線R1的交點(diǎn)。傳統(tǒng)的利用閥門控制的水泵，由于要減小流量，關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R1轉(zhuǎn)移到議1，揚(yáng)程則從H0升到耳，流量從Qn減小到Q1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A點(diǎn)。而調(diào)速控制水泵時(shí)，閥門沒(méi)有開(kāi)關(guān)變化，因此阻力曲線R1不變。為使流量改變，需要改變水泵的轉(zhuǎn)速。如果把速度從N降到N1，特性曲線也從N轉(zhuǎn)移到N1。此時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到H3

14、,流量從Qn減小到Q1。根據(jù)公式（1）求出，運(yùn)行時(shí)，在A點(diǎn)水泵的功耗為尸;kHiQi/，C點(diǎn)水泵的功耗為PCkH3Q1/，兩者的差值為：PPAPCkH3H1Si/L也就是說(shuō)，用閥門控制水泵流量時(shí)，有P功率被浪費(fèi)掉了，并且這個(gè)損耗隨著閥門的關(guān)小而增加。系統(tǒng)構(gòu)成與控制方式選擇針對(duì)給定的條件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于各泵容量相等，可只用一個(gè)變頻器，額定功率稍大于或等于泵的額定功率。由于變頻器的價(jià)格較高，因此不建議使用變頻器的雙余度備份，但可在保護(hù)和故障容錯(cuò)中做一定投資，以更好地保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。控制器件與控制方案選擇如下：現(xiàn)階段使用較多的控制器件為：微處理器（單片機(jī)或DSP）、PLC或?qū)Ｓ米冾l器。專用變

15、頻器的主要生產(chǎn)廠商有三菱、ABB等公司。不同的控制裝置在控制的原理上基本是一樣的，主要有PID調(diào)節(jié)器、變頻/工頻自動(dòng)切換、水網(wǎng)壓力檢測(cè)環(huán)節(jié)等，通過(guò)連接而組成供水系統(tǒng)。為了保持供水管道的壓力恒定，就必須實(shí)時(shí)檢測(cè)管道壓力并回饋給供水控制器，使其構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在最常用的控制器是以PID調(diào)節(jié)為主要手段，也有的采用了模糊控制等現(xiàn)代控制理論方法。變頻調(diào)速供水的恒壓值一般選用最不利點(diǎn)（管端）恒壓控制比較準(zhǔn)確，但該壓力信號(hào)傳輸距離太長(zhǎng)，一方面容易受到干擾，另一方面也容易出現(xiàn)故障，因此在用戶對(duì)供水精度要求不很高時(shí)，常以出水母管出口處壓力作為恒壓值進(jìn)行控制。對(duì)于專用變頻器，由壓力傳感器檢測(cè)到的管網(wǎng)壓力直

16、接送入變頻器中的PID調(diào)節(jié)器輸入口；對(duì)微處理器（包括PLC）控制的系統(tǒng)，壓力設(shè)定值以及用戶管網(wǎng)壓力檢測(cè)值則送入微處理器中，經(jīng)內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，當(dāng)變頻器頻率達(dá)到最大時(shí)，若仍沒(méi)有達(dá)到壓力設(shè)定值，就進(jìn)行變頻/工頻切換，同時(shí)重新給變頻器輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。壓力檢測(cè)值與壓力給定值差距越大，該輸出信號(hào)變化就越大。一旦管網(wǎng)壓力達(dá)到了設(shè)定值，該輸出控制信號(hào)就恒定下來(lái)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在專用變頻器中，壓力給定值可以通過(guò)變頻器輸入設(shè)定，也可以通過(guò)電位器送入；而微處理器控制系統(tǒng)的壓力給定值也可通過(guò)相應(yīng)的裝置輸入。允許用戶在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置PID參數(shù)，通過(guò)調(diào)試選出最佳參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。一

17、般情況下，PID方式的調(diào)節(jié)器就能夠滿足供水管壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。然而，這種類型的閉環(huán)系統(tǒng)也存在著一些難以解決的問(wèn)題，比如在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，水泵電機(jī)會(huì)出現(xiàn)速度超調(diào)甚至不穩(wěn)定的現(xiàn)象，對(duì)整個(gè)的供水設(shè)備具有很大的破壞性，還會(huì)減小整個(gè)系統(tǒng)的效率。這些問(wèn)題只能通過(guò)選定最優(yōu)的PID參數(shù)或修改PID算法來(lái)解決。各條件下供水具體控制方式恒壓供水的起動(dòng)與停機(jī)：在水泵出口母管處裝設(shè)壓力變送器和流量變送器，將壓力和流量信號(hào)送入控制器，控制器將接收到的信號(hào)進(jìn)行比較、運(yùn)算，并發(fā)出指令，對(duì)變頻器進(jìn)行控制。如果檢測(cè)得管網(wǎng)壓力大于設(shè)定值，則系統(tǒng)不起動(dòng)，當(dāng)管網(wǎng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)起動(dòng)。變頻器帶1泵軟起動(dòng),此時(shí)1泵處于變頻調(diào)速

18、運(yùn)行狀態(tài)，變頻器根據(jù)收到的信號(hào)隨時(shí)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)1泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速仍不能滿足水壓值要求時(shí)，則該水泵自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行，變頻器則控制2水泵，使之軟起動(dòng)并運(yùn)行。依此類推，直到管網(wǎng)壓力滿足壓力設(shè)定要求。在用水高峰過(guò)后，由于投入多臺(tái)泵而使管網(wǎng)壓力超過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)依據(jù)先投先停的原則，依次停止1#泵，2#泵，。先投先?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)泵的平均使用，有利于延長(zhǎng)泵的使用壽命。對(duì)于所有泵的起停控制，完全由管網(wǎng)壓力決定。休眠控制：在夜間用水量非常少的情況下，為了節(jié)能，可以設(shè)置可以使水泵暫停工作的休眠狀態(tài)。在管網(wǎng)壓力允許的條件下，當(dāng)變頻器輸出頻率低于某下限頻率時(shí)，變頻器停止輸出。當(dāng)管網(wǎng)壓力小于下限設(shè)定時(shí)，再喚醒變頻器使之重新開(kāi)始工作。.實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)考慮的其他因素在選取水泵時(shí)，應(yīng)考慮在幾乎所有工況下都能使工作中的水泵處于高效率工作區(qū)間，因此，在夜間或需水量非常少的工況下工作的水泵可選一個(gè)比其他容量都小的。由于絕大多數(shù)城市都不允許直接從市政管網(wǎng)吸水，因此采用變頻調(diào)速恒壓供水方式時(shí)仍然需