多泵自動循環(huán)切換恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)
摘要:本文采用變頻調(diào)速方式自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速或加、減泵。自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過渡。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運行，保證不間斷供水。系統(tǒng)斷電恢復后可自啟動。并詳細說明系統(tǒng)硬件構成、軟件設計、工作原理、運行方式、參數(shù)整定等.系統(tǒng)主要采用三菱PLC和西門子變頻,來實現(xiàn)所需要的功能.
關鍵詞：恒壓供水;變頻調(diào)速;水泵; PLC
Many pumps circulate and surely exchange the permanent pressure water supply frequency conversion velocity modulation system voluntarily
Abstract: Introduce that the permanent pressure feed water systems baseding on PLC of one kind of replacement water tower water supply forms and the work principle. The system adopts the frequency conversion velocity modulation method autocontrol water pump electrical machinery to rotate speed or adds and subtracts the pump. That the change is before " after opening first stops " the method, and accomplishes that the pump group soft(ly) starts and does not have lashing surely exchanges, and makes the smooth and steady transition of hydraulic pressure voluntarily. The system still can run during the frequency converter trouble, and the guaranty is not disconnected water supply. The system can start certainly after stopping providing electricity to recover.
The keyword: permanent pressure water supply; The frequency conversion velocity modulation; The water pump; PLC
引言
恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性能,已成為設計的主流.其主要特點是：
1. 占地面積小，安全可靠，投入成本并不高，而運行效率很高。由于一天內(nèi)平均轉(zhuǎn)速下降，軸上的平均扭矩和磨損減小，因此水泵的壽命大大提高。[1]
2. 變頻調(diào)速能對水泵實現(xiàn)軟起動和軟停車，由此可消除水錘效應，減少對管網(wǎng)的沖擊。自動化程度高.
一. 系統(tǒng)概述
(一)傳統(tǒng)的供水方式：
1.水箱/水塔供水——重力供水這種方式供水壓力比例恒定，且有儲水，但它是由位置高度形成的壓力來供水的，為此需建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ镂蓓斏稀?br>2.氣壓供水。這種供水方式一般是在地下室或空曠處加壓將水送到管網(wǎng)中。優(yōu)點是建設快，可通過改變壓力來滿足不斷增長的供水需求。缺點是建壓力罐其體積和投資大，還需設置空壓機充氣，消耗電能大，運行費用高。[2]
(二)恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)：
其控制框圖1如下所示。由變頻器向電機供電，由電機拖動水泵，通過壓力傳感器把在出口水壓檢測點測得的壓力（反映用水量大�。┓答佇盘柵c壓力給定信號經(jīng)比較送入調(diào)節(jié)器，再將調(diào)節(jié)器的輸出信號作為變頻器的頻率給定信號，由此來根據(jù)用水需求量自動調(diào)節(jié)供水量的大小。
圖1 恒壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)圖
(三)系統(tǒng)控制要求：
本系統(tǒng)采用三臺同容量的水泵供水，具體的控制要求是：
1. 用水量少時由變頻器驅(qū)動一套電機泵組，且根據(jù)用水量自動調(diào)節(jié)泵速，另兩套電機泵組停車。
2. 當此泵速達到最高仍不能滿足用水需求時，則起動第二套電機泵組并由變頻器供電，而第一套自動切換由工頻電網(wǎng)直接供電。
3. 兩套電機泵組供水時，若第二套泵速最低時仍大于用水需求，則自動切除第一套泵組；若第二套泵速最高時仍小于用水需求，則自動起動第三套電機泵組并由變頻器供電，而第二套自動切換由工頻電網(wǎng)直接供電，第一套仍由工頻電網(wǎng)直接供電。
4. 三套電機泵組供水時，若第三套泵速最低時仍大于用水需求，則自動切除第一套泵組，第二套仍由工頻電網(wǎng)直接供電。同理,以次減之.
之后周而復始，實現(xiàn)自動循環(huán)切換，因此各臺泵的平均使用壽命得到提高。[3]
二.方案選擇
多泵并聯(lián)變頻恒壓工作模式通常是:當用水流量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量,由一臺變頻泵調(diào)速恒壓供水;當用水流量增大,變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升;當變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速,為用水流量進一步增大,由 變頻供水控制器控制,自動啟動一臺工頻泵投入,該工頻泵提供的流量是恒定的(工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量),其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下,當用水流量下降,變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降;當頻率下降到零流量的時候，變頻供水控制器發(fā)出一個指令,自動關閉一臺工頻泵使之超出并聯(lián)供水.為了減少工頻泵自動投入或超出時的沖擊.在投入時,變頻泵的轉(zhuǎn)速 自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求.在超出時,變頻泵的轉(zhuǎn)速應自動上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求.上述頻率自動上升,下降由供水變頻控制器控制。[4]
另一種變頻供水模式通常叫做恒壓變量循環(huán)狀啟動并先開先停的工作模式。在這種供水模式中,當供水流量少于變頻泵在恒壓工頻下的流量時,由變頻泵自動調(diào)速供水,當用水流量增大,變頻泵的轉(zhuǎn)速升高.當變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速 ,由變頻供水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電(不通過變頻器供電)。變頻器則另外啟動一臺并聯(lián)泵投入工作.隨用水流量增大,其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動投入.這就是循環(huán)軟啟動投入方式。當用水流量減少,各并聯(lián)工頻泵按次序關泵超出,并泵超 出的順序按先投入先關泵超出的原則由變頻控制器單板計算機控制。
三.系統(tǒng)工作原理
(一) 系統(tǒng)結構
圖2 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理圖
變頻恒壓供水系統(tǒng)工作原理如圖2；它主要有PLC、變頻器、壓力傳感器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20mA標準信號送入變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得到4～20mA參數(shù)，4～20mA信號送至變頻器。控制系統(tǒng)由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速不同、工作頻率也就不同，在變頻器設置中設定一個上限頻率和下限頻率檢測，當用水量大時，管路壓力減小,變頻器頻率迅速上升到上限頻率，此時，變頻器輸出一個上限頻率到達開關信號給PLC；當用水處于低峰時，管路壓力增大，變頻器輸出頻率下降并達到下限頻率，變頻器也輸出一個下限頻率到達開關信號給PLC；兩個信號不會同時產(chǎn)生。系統(tǒng)始終保持每個時刻都有變頻泵在運行，自動調(diào)節(jié)管路內(nèi)的壓力，當產(chǎn)生任何中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。變頻器輸出的信號即反饋給PLC,一個信號時，信號即反饋給PLC，PLC通過設定的內(nèi)部程序驅(qū)動I/O端口開關量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。[5]
(二) 工作原理
圖3 恒壓供水系的變頻器外部接線圖[6]
圖4 MICROMASTER 440方框圖
圖3中Q0為總電源進線斷路器、Q01為變頻器的電源進線斷路器、Q1、Q2、Q3為1#、2#、3#泵工頻電源進線斷路器、FU為電壓轉(zhuǎn)換開關的熔斷器、SV為電壓轉(zhuǎn)換開關、PV為電壓表.KM1、KM2、KM3為泵1#、2#、3#變頻接觸器.
回路設計: 變頻器的接線見圖3，變頻器10，11端子是模擬量輸入端口。5，9端子是起動停止信號，9號端子是變頻器自帶的＋24V電源，當5號端子有正電源時，變頻器允許起動斷開時停止運行，因此在5，9號端子連線之間串接了一副繼電器輔助觸點KA1，當輔助觸點閉合時，變頻器可起動，斷開時變頻器停止。通過控制KA1的閉合和斷開，在泵切換時進行斷開變頻器的控制。21端子輸出下限頻率信號到PLC輸入端，24號端子輸出上限頻率信號到PLC輸入端。在變頻器外部接線圖中可知見圖3.2，在變頻器控制的一路，因變頻器自帶過流和過熱保護，所以沒有設過熱保護，在工頻控制一路我們設置了熱繼電器，在每個泵的變頻器控制和工頻控制的兩路我們都通過PLC輸出控制每個接觸器線圈來互相自鎖。接觸器采用DC24V線圈接觸器。
開始工作時，1#泵變頻啟動，泵的轉(zhuǎn)速上升，如變頻器的頻率達到50HZ而此時水壓還未達到設定值，變頻器檢測到上限頻率并輸出一個開關信號給PLC，上限頻率信號保持5分鐘時間后，1＃泵迅速切換至工頻運行，同時解除變頻器運行信號1秒，然后切換到2＃泵由變頻器驅(qū)動，若此時壓力上升，變頻器輸出下限信號，系統(tǒng)自動切斷1＃工頻泵，由2＃變頻泵單獨運行。若此時壓力下降未達到設定值，變頻器輸出50赫茲上限運行信號，則2＃泵切換至工頻，3＃泵變頻啟動。在運行中始終保持一臺泵變頻運行。當在1＃泵工頻運行，2＃泵變頻運行時，管路壓力未達到設定值時，變頻器輸出一個上限頻率信號至PLC，由PLC控制切除2＃泵變頻運行，此時由2＃泵工頻運行、3＃泵變頻運行，同時保持1＃泵工頻運行。如果此時壓力上升，變頻器頻率達到下限頻率，同樣輸出下限信號給PLC，PLC解除1＃工頻泵，由2＃工頻泵和3＃泵變頻運行來維持管網(wǎng)壓力。當壓力上升，變頻器頻率下降，輸出下限頻率信號后，2＃工頻泵切斷，此時由3＃泵單獨運行來維持管路壓力。此時如管道壓力下降，變頻器達到上限頻率，并輸出上限壓力信號，3＃變頻泵轉(zhuǎn)換為工頻運行，1＃泵變頻啟動，若壓力仍不滿足則1＃變切換為1＃工，2＃泵變頻運行，并保持3＃泵工頻運行。三臺泵同時工作以保證供水要求。見圖4.5這樣的切換過程有效地減少泵的頻繁起停，同時在實際管網(wǎng)對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發(fā)生。
圖5 各泵工作狀態(tài)時序圖
四.PLC程序設計
變頻泵循環(huán)運行優(yōu)點很多,但是實現(xiàn)起來關鍵問題是變頻器輸出切換問題。將水泵電動機從變頻器供電切換到工頻電網(wǎng)供電,將可能遇到很大的電流沖擊考慮到變頻器每次切換的時會產(chǎn)生的沖擊，如表1所示,以第1臺電機為例在KM1斷開以后,定子繞組是開路的,不可能有勵磁電流。而轉(zhuǎn)子繞組是自成回路的,其電流有一個逐漸衰減的過程,它將產(chǎn)生一個逐漸衰減的直流磁場,而定子三相繞組將和此旋轉(zhuǎn)的直流磁場相互切割,從而產(chǎn)生出相應的感應電動勢,即電動機在切斷電源以后,存在著一個處于非同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過渡過程。非同步發(fā)電狀態(tài)不同于電動機的再生發(fā)電狀態(tài),電動機的再生發(fā)電狀態(tài)是指定子繞組必須和電源相接,以得到勵磁電流。而此這時是電機已經(jīng)脫離電源。
我們在應用中是在水泵脫離變頻器后,等待一段時間待電動機的反電動勢降下來以后再接到工頻電源。在切換的時候PLC先發(fā)出停止信號，停止變頻器運行1S使變頻器降速到零，在起動前段會有下限低的信號，造成不能正常起動，在變頻器切換時都有2S鐘的信號下限信號隔離的設計。每次切換時都保持下限和上限信號連續(xù)保持5分鐘后方可切換，以避免因變頻頻率波動而產(chǎn)生的頻繁切換。
輸入定義號 注釋 輸出定義號 注釋
X001 變頻器下限頻率輸入信號 Y001 1#泵變頻運行接觸器
X002 變頻器上限頻率輸入信號 Y002 1#泵工頻運行接觸器
X003 手動/自動選擇開關 Y003 2#泵變頻運行接觸器
X004 1＃泵手動運行允許輸入信號 YOO4 2#泵工頻運行接觸器
X005 2＃泵手動運行允許輸入信號 Y005 3#泵變頻運行接觸器
X006 3＃泵手動運行允許輸入信號 Y006 3#泵工頻運行接觸器
Y007 變頻切換停止繼電器
表1 PLC輸入、輸出分配表
圖6 PLC輸入、輸出接線圖
圖7. 轉(zhuǎn)換開關接線圖
五.變頻器參數(shù)設定(表2)
1. P0010=0 (準備運行) 10.P0732=53.2 (低于最小頻率) 數(shù)字輸出2
2. P0100=0 (工作地區(qū)50HZ) 11.P0733 =52.A(已達到最大頻率)數(shù)字輸出3
3. P0304=380 (電動機的額定電壓) 12.P1000=3 (頻率設定值的選擇)
4. P0305=36 (電動機的額定電流) 13.P1080=15 (電動機的最小頻率)
5. P03P7=18.5 (電動機的額定功率) 14.P1082=50 (電動機的最大頻率)
6. P0310=50 (電動機的額定頻率) 15.P1120=10 (斜坡上升時間)
7. P0311=1470 (電動機的額定速度) 16.P1121=10 (斜坡下降時間)
8. P0700=0 (選擇命令源) 17.P2253=755 (PID設定值信號源)
9. P0701=1 (接通正轉(zhuǎn)/OFF1命令) 18.P2264=755 (PID反饋信號)
六. 系統(tǒng)各部分的選型
(一)變頻器選型:通過電機容量選用變頻器,考慮安全和余量.采用西門子型號為:6SE6440-2AD32-2DA1.功率:22KW. MICROMAST
(二)PLC控制系統(tǒng)及選型:該系統(tǒng)采用三菱FX2N-32ET，I/O點數(shù)為32點，繼電器輸出，PLC編程采用三菱PLC專用編程軟件SWOPC—FX/WIN—C.
(三)壓力傳感器選型:壓力傳感器采用昆山雙橋傳感器測量技術有限公司.型號:CYG101型(低壓力傳感器).量程:0～40～100～400～1000～1600kpa
(四)斷路器的選型:通過電機的功率為18.5KW可知,電機額定電流為36.1A一般選取斷路器額定電流為電機的額定電流的1.5~2倍為54.1A,所以選取Q1~Q3具體型號:3VL2706-1AE33-0AA0.Q01
(五)接觸器和繼電器選型:KM1~KM6接觸器采用西門子公司的3TF系列接觸器,工作電流為90A,具體型號:3TF4722-0XB0.繼電器具體型號:3TH4022-0XB0
結束語:
PLC控制和變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)投入使用后,完全能夠達到設計要求,高效節(jié)能,故障低,調(diào)速供水效果突出,用戶反映良好.同時減少設備損耗,延長了水泵和電機的使用壽命.提高了社會效益.
參考文獻:
[1] 變頻調(diào)速給水的基本原理[N]
http://www.asklight.com/article/Folder9/200746/60534.Html
[2]基于PLC的新型變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)[N]
http://www.autooo.net/Html/INV/Inv-Case/2007-3/18/0731819409.html
[3]PLC及變頻調(diào)速技術在泵站恒壓供水中的應用[N]
http://www.jd37.com/tech/200810/39839.html，2008年10月 14日
[4] 張燕賓主編 變頻調(diào)速應用實踐[T] 機械工業(yè)出版社2000年
[5]陳勇 陳亞愛主編 電機與拖動基礎[T] 電子工業(yè)出版社2007年5月第一次印刷
[6]西門子MICROMASTER 440型產(chǎn)品樣本[S].DA51.2﹒2002
作者簡介
陳成勇 男 學歷：本科 西門子（中國）有限公司 職稱：工程師 高級技師
出生:1970年12月 研究方向:變頻器和伺服運動等驅(qū)動控制
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