變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘

要：針對(duì)藥品研發(fā)中試企業(yè)用水量具有間斷性的特征，設(shè)計(jì)了一種變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC的邏輯控制與自診斷分析功能，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)恒壓供水，水泵電機(jī)根據(jù)測(cè)量壓力均可變頻和工頻供電，相互備用。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，控制靈活，安全可靠。關(guān)鍵詞：節(jié)能；變頻調(diào)速；PID應(yīng)用宏；PLC控制；邏輯控制0引言藥品研發(fā)中試企業(yè)用水量具有間斷性特征，有生產(chǎn)需求時(shí)用水量大，在藥品研發(fā)小試階段用水量較小，因此，離心水泵必須通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速來(lái)滿足水壓穩(wěn)定性的需求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，并具有良好的節(jié)能效果。1水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理水泵調(diào)速的H-Q曲線如圖1所示，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)D是泵的特性曲線與管路阻力曲線的交點(diǎn)。當(dāng)用閥門(mén)控制流量時(shí)，若要減小流量，則需關(guān)小閥門(mén)開(kāi)度，使閥門(mén)摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R2，揚(yáng)程則從H0上升到H1，流量從QN減小到Q1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到A點(diǎn)。調(diào)速控制時(shí)，阻力曲線不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果將轉(zhuǎn)速由nN變?yōu)閚1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0降到H3，流量從QN減小到Q1，則泵在A點(diǎn)、C點(diǎn)工況運(yùn)行時(shí)的軸功率分別為：式中：PA、PC為泵在工況點(diǎn)A、C的軸功率（kW）；Q1為工況點(diǎn)流量（m3/s）；H1、H3為工況點(diǎn)揚(yáng)程（m）；ρ為輸出介質(zhì)單位體積質(zhì)量（kg/m3）；η為工況點(diǎn)的泵效率（%）。將PA與PC相減得出使用調(diào)速控制時(shí)節(jié)省的功率：Q、H、P、n之間的關(guān)系為：水泵采用調(diào)速控制方式時(shí)，若所需流量為額定流量的80%，則軸功率僅為額定軸功率的51.2%，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10%～40%，流量越小，節(jié)能效果越明顯。2控制系統(tǒng)組成本系統(tǒng)供水泵采用兩用一備方式，泵功率15kW，Q=162m3/s，H=42m，泵前裝有9.5m×3m×2.5m的生產(chǎn)水箱，企業(yè)用水量經(jīng)常出現(xiàn)間斷性、階梯性特征，且市政供水壓力偏高，為保證生產(chǎn)用水的安全性，避免系統(tǒng)管網(wǎng)壓力過(guò)高，本設(shè)計(jì)采用變頻器一拖三運(yùn)行方式，每臺(tái)泵電機(jī)均可工作在變頻/工頻模式下，在主回路控制中，每臺(tái)電機(jī)分別通過(guò)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源連接，工頻回路裝有過(guò)熱繼電器，工頻和變頻控制回路在硬件和軟件方面互鎖，當(dāng)任意一臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障，PLC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)邏輯分析自動(dòng)投入備用供電回路，確保管網(wǎng)供水壓力穩(wěn)定，安全供水。本系統(tǒng)采用經(jīng)典的PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，PLC選用西門(mén)子的CPU226CN小型機(jī)，本機(jī)集成24點(diǎn)DI輸入、16點(diǎn)DO輸出，PLC的I/O端口分配表如表1所示。變頻器選用ABB的ACS510系列，其程序參數(shù)集成了恒壓供水、冷卻風(fēng)機(jī)、地鐵和隧道通風(fēng)等典型應(yīng)用，ACS510系列端子接線表如表2所示。本系統(tǒng)還包括數(shù)顯壓力變送器、液位計(jì)、斷路器、接觸器、熱繼電器等常規(guī)電氣元件，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)狀態(tài)的開(kāi)環(huán)控制和自動(dòng)狀態(tài)下的恒壓閉環(huán)控制。PLC完成水泵的啟停、控制點(diǎn)采集、邏輯控制、報(bào)警等功能。ABB變頻器具有內(nèi)置的PID功能模塊。變頻調(diào)速系統(tǒng)限制電機(jī)啟動(dòng)電流，避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，可消除泵啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。但變頻調(diào)速范圍應(yīng)在離心泵特征曲線（H-Q）的最佳工作范圍內(nèi)，即頻率下調(diào)10%～30%才能體現(xiàn)出較好的節(jié)能效益，再往下調(diào)節(jié)頻率，就會(huì)出現(xiàn)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)而不出水的工況，即超出了離心泵的極限工作范圍。ACS510系列變頻器能很好地解決恒壓供水的PID算法控制問(wèn)題。3恒壓控制過(guò)程及實(shí)現(xiàn)恒壓控制充分利用了ABB的ACS510系列變頻器內(nèi)置的PID宏控制參數(shù)，宏是一組預(yù)先定義的參數(shù)集，且所有宏參數(shù)將自動(dòng)設(shè)置成默認(rèn)值，可減少調(diào)試時(shí)間，降低出錯(cuò)的可能性，通過(guò)必要參數(shù)的設(shè)置，可以完美地實(shí)現(xiàn)恒壓供水功能。本系統(tǒng)變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如表3所示。系統(tǒng)在泵出口水平總管道上安裝數(shù)顯壓力變送器，量程范圍為0～2.5MPa，當(dāng)水泵自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，壓力變送器的4～20mA信號(hào)進(jìn)入ABB變頻器的AI1輸入端，變頻器根據(jù)給定值和測(cè)量值的偏差及偏差變化率，經(jīng)PID運(yùn)算后，調(diào)整變頻器輸出頻率，根據(jù)公式n=60f/p（f為頻率，p為極對(duì)數(shù)），改變異步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率，直接控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變水泵的H-Q特征值，從而調(diào)整水泵出口壓力。邏輯控制方面，假定1#泵運(yùn)行，當(dāng)用水量增大時(shí)，管網(wǎng)壓力下降，變頻器的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)使其頻率輸出增大，當(dāng)頻率輸出值達(dá)到49.5Hz時(shí)，根據(jù)變頻器參數(shù)1401、3201、3203的設(shè)置，變頻器DO1輸出值為“ON”，PLC根據(jù)I0.0為“1”發(fā)出增泵指令，PLC延時(shí)10s后，該臺(tái)水泵自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，此時(shí)變頻器停止工作，自由停車(chē)至0頻率值，延時(shí)5s后啟動(dòng)2#泵變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少，管網(wǎng)壓力升高至0.35MPa時(shí)，根據(jù)變頻器參數(shù)1402、3204、3206的設(shè)置，變頻器DO2輸出值為“ON”，PLC根據(jù)I0.1為“1”發(fā)出減泵指令，1#工頻泵停止運(yùn)行。隨著用水量減少，變頻器工作在低頻段，根據(jù)變頻器參數(shù)4023、4024的設(shè)置，當(dāng)頻率低于30Hz時(shí)，變頻器啟動(dòng)睡眠功能，并延時(shí)60s后變頻器停止工作，避免浪費(fèi)電能。若用水量增大或持續(xù)少量用水，管網(wǎng)壓力會(huì)持續(xù)降低，根據(jù)變頻器參數(shù)4025、4026的設(shè)置，當(dāng)壓力下降到0.25MPa時(shí)，經(jīng)過(guò)延時(shí)0.5s后，變頻器開(kāi)始啟動(dòng)重新工作，保證管網(wǎng)壓力控制在0.3MPa左右。變頻泵工作的輪換按1#、2#、3#水泵順序循環(huán)工作，3臺(tái)泵自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，互為備用，使泵組設(shè)備均衡使用，避免單臺(tái)泵運(yùn)行過(guò)度損耗。若此時(shí)有1臺(tái)泵組發(fā)生故障，表現(xiàn)為開(kāi)關(guān)跳閘、熱繼電器動(dòng)作，則第3臺(tái)泵根據(jù)控制策略需要，自動(dòng)投入運(yùn)行，若變頻器發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提示崗位人員切換手動(dòng)狀態(tài)，水泵將在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，在緊急情況下可打開(kāi)生產(chǎn)水箱的旁通閥，保證持續(xù)供水。為避免加泵、減泵切換過(guò)程中壓力出現(xiàn)波動(dòng)，或用水負(fù)荷大幅度波動(dòng)造成調(diào)節(jié)震蕩，在泵出口連接有穩(wěn)壓罐，能有效保證供水壓力的穩(wěn)定性。當(dāng)生產(chǎn)水箱的液位低于0.25m時(shí)，PLC掃描到低水位信號(hào)，系統(tǒng)將停機(jī)；當(dāng)液位高于2.3m時(shí)，PLC掃描到高水位信號(hào)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。4系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)軟件采用西門(mén)子的STEP7MicroWINV4.0SP9編程軟件，PLC程序主要由MAIN初始化主程序以及運(yùn)行狀態(tài)、增