恒压供水系统的应用与原理

恒压供水系统的应用与原理恒压供水系统的应用与原理 本设计的内容是 PLC 控制的恒压供水系统 主要用到了 PLC 和变频器 系统采用变频 调速方式自动调节水泵电机的速度 改变了以往先启后停的方式 系统能够自动和手动完 成各个泵的启动 停止和无冲击切换 以及故障报警 使水压平稳过渡 在恒压供水控制系统设计中 对变频器控制也进行了必要的讲解 包括变频原理 变 频器的分类以及参数的设定 其硬件由 PLC 变频器 电机 继电器等组成 详细的论述 了 PLC 的原理 变频器的原理 硬件设计 软件设计 操作 参数设定 控制系统图的设 计 在设计中利用 PLC 控制变频器 采用 PID 控制器 形成以压力为闭环的控制系统 从 而实现供水压力的恒定 而泵的启动和停止可以自动和手动来实现的 该系统运行可靠 抗干扰性强 且具有经济性 随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质的不断提高 变频恒压供水系统以 逐渐取代原有的水塔供水系统 广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统 然而 由于 新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备 所以 此技术用在对原有系统的改造过程中 既可以体现变频控制恒压供水的优势 又可以尽量保留原有的设备 有效的节省了大量的 资金 并且可以保证系统的可靠的运行 1 1 变频调速恒压供水设计方案通过安装在出水管网上的压力传感器 把出口压力信 号变成 4 20mA 的标准信号送入 PID 调节器 经运算与给定的压力进行比较 得出一比较 参数 送给变频器 由变频器控制电机的转速 调节系统的供水量 使供水管网上的压力 保持在给定的压力上 当用水量超过一台泵的供水量时 通过 PLC 控制切换器进行加泵 根据用水量的大小由 PLC 控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速 实现恒压供水 当供水负载变化时 输入电机的电压和频率也随之变化 这样就构成了以设定压力为基准 的闭环控制系统 此外 系统还设有多种保护功能 充分保证了水泵的及时维修和系统的 正常供水 图 3 1 为变频恒压供水系统 其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源 实现 电机的无极调速 从而使管网水压连续变化 传感器的任务是检测管网水压 压力设定单 元为系统提供满足用户需求的水压期望值 压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制 器后 经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算 输出给变频器一个转速控制信号 还有 一种方法是将压力设定信号和压力反馈信号送入 PID 回路调节器 由 PID 回路调节器在调 节器内部进行运算后 输出给变频器一个转速调节信号 如图 3 1 中虚线所示 供水设备 控制 1 3 台水泵 在这些水泵中 只有一台变频泵 当供水设备供电开始时 先启动变频 泵 管网水压达到设定值时 变频器的输出频率则稳定在这一数值上 而当用水量增加 水压降低时 传感器将这一信号送入可编程控制器或 PID 回路调节器 可编程控制器或 PID 回路调节器则送出一个比用水量增大的信号 使变频器的输出频率上升 水泵的转速提高 水压上升 如果用水量增加很多 使变频器的输出频率达到最大值 仍不能使管网水压达 到设定值 可编程序控制器或 PID 回路调节器就发出控制信号 启动一台工频泵 其他泵 依次类推 反之 当用水量减少 变频器的频率达到最小值时 则发出减少一台工频泵的 信号 其他泵依次类推 图 3 1 中 M1 M3 为电机 P1 P3 为水泵 KM1 KM6 为电机起 停 互相切换的交流 接触器 图 3 1 变频恒压供水系统 由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的 所以对可编 程来讲 要有模拟量输入接口 由于带模拟量输入 输出接口的可编程控制器价格很高 这 无形中就增加了供水设备的成本 若采用带模拟量输入 输出接口的可编程控制器 则要在 可编程器的数字量输出口另接一块 PWM 调制板 还增加了连线和附加设备 降低了整套 设备的可靠性 如果采用一个开关量输入 输出接口的可编程控制器和一个 PID 回路调节器 其成本也和带模拟量输入 输出接口的可编程控制器差不多 所以 在变频器调速恒压给水 控制设备中 PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节 针对传统的变频调速供水的不足之处 国外不少生产厂商近年来纷纷推出一系列的新 型产品 如 ABB 公司的 ACS600 ACS400 系列产品 富士公司的 G11S P11S 系列产品 这 些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内 形成了带有各种应 用宏的新型 1 2 变频恒压供水控制方式众所周知 水泵消耗与转速的三次方成正比 即 N 为水泵消耗功率 K 为比例系数 水泵设计是按工频运行时设计的 但除用水高峰外 大部分时间流量较小 因此可以 使水泵运行的转速随流量的变化而变化 最终达到节能的目的 实践证明 使用变频设备 可使水泵运行平均转速比工频转速降低 20 从而大大降低能耗 节能率可达 20 40 目前国内各厂家的供水设备电控柜 除采用落后的继电接触器控制方式外 大致有以下四 类 1 逻辑电子电路控制方式 这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动 全流量变频调节 往往采用一台泵固定于变 频状态 其余泵均为工频工作 状态的方式 因此控制精度较低 水泵切换时水压波动大 调试较麻烦 工频泵启动时有冲击 抗干扰能力较低 但成本较低 2 单片机电路控制方式 这类控制电路优于逻辑电路 但在应付不同管网 不同供水情况时调试较麻烦 追加功能 时往往要对电路进行修改 不灵活也不方便 电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高 3 带 PID 回路调节器和 或可编程序控制器 PLC 的控制方式 此时变频器的作用是为电机提供可变频率的电源 实现无极调速 从而使管网水压连续变 化 传感器的任务是检测管网水压 压力设定单元为系统提供满足需要的水压期望值 压 力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后 经可编程控制器内部 PID 控制程序的 计算 输出给变频器一个转速控制信号 还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号 送入 PID 回路调节器 由 PID 回路调节器内部进行运算后 输入给变频器一个调速信号 4 新型变频调速供水设备 针对传统的变频调速供水设备的不足之处 国内外不少生产厂家纷纷推出了一系列新 型产品 这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器 形成了带 有各种应用宏的变频器 由于 PID 运算在变频器内部 这就省去对可编程存控制器存贮容 量的要求和对 PID 算法的编程 而且 PID 参数的在线调试非常容易 这不仅降低了生产成 本 而且大大提高了生产效率 由于变频器内部自带的 PID 调节器采用了优化算法 所以 使水压的调节十分平滑 稳定 同时 为了保证水压信号反馈信号值的准确 不失信 可 对该信号设置滤波时间常数 同时还可对反馈信号进行换算 使系统的调试非常简单 方 便 一 恒压供水控制系统总体设计一 恒压供水控制系统总体设计 1 恒压供水控制系统的设计本设计综合 PLC 在多方面的应用 既有开关量 I O 也有 模拟量 I O 及其 PID 调节器的使用 另外 设计中还使用了变频器控制 工艺过程 随着社会的发展和进步 城市高层建筑的供水问题日益突出 一方面要求提高供水质 量 不要因为压力的波动造成供水的障碍 另一方面要求保证供水的安全性和可靠性 提 高供水质量 针对这方面的要求 本设计以 PLC 丰富的控制功能 达到系统设计要求 本设计为三台水泵的恒压供水控制系统 工艺过程如图 3 2 所示 图 3 2 市水网来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 YV1 它们自动把水注满储水池 只 要水位低于高水位 则自动往水箱中注水 水池的高 低水位信号由传感器直接送给 PLC 作为低水位报警用 为了保证供水的连续性 水位上下限传感器的高低距离不是相差很大 三台水泵根据用水量的多少 按一定的控制逻辑运行 使供水在恒压状态下进行 系统控制要求对三台泵恒压供水的基本控制要求 1 系统开始供水时 变频运行 2 三台泵根据恒压的需要 采取 先开先停 的原则接入和退出 3 在用水量小的情况下 如果一台泵连续运行时间超过 3 小时 则要切换到下一 台泵 即系统具有 倒泵功能 可避免某一台泵长时间工作 4 三台泵启动时有延时 减小电流过大时对其他用电设备的冲击 5 要有完善的报警功能 6 对电机的操作要有手动和自动两种控制功能 2 传感器选用 采用 FT 1 压力传感器 FT 1E 液位传感器 均将 4 20mA 的压力 液位信号送入 PLC 3 变频器选用 变频器采用 ABB 公司的 ACS400 变频器 该产品具有矢量控制 过流 过压 变频器 热保护 电机热保护 失速 瞬时关断保护 外部故障 脉冲编码 电机过载 V F 变频器过载保护等功能 通过 PLC 模拟量输出端子来控制变频器的频率及其复位操作 从 而达到电机速度跟随压力给定 保证管网水压的恒定 4 变频器参数设定 图 3 3 变频器参数表 序号参数设定值注释 9905MOTOR NOM VOLT380额定电压 9906MOTOR NOM CUUR额定电流 9907MOTOR NOM FREQ50额定频率 9908MOTOR NOM SPEED1440额定转速 9909MOTOR NOM POWER额定功率 1102EXT1 EXT2 SEL1外部给定选择 1103EXT1 SELECT1 1104REF1 MIN3最小给定 1105REF1 MAX47最大给定 2202ACCELER TIME15S加速时间 2203DECELER TIME25S减速时间 二 使用中的常见对策二 使用中的常见对策 问 1 台变频器带多台电机时 怎么选定变频器容量 答 1 台变频器并联驱动多台电机 请使电机额定容量的总和在变频器的额定输出电流以 下 并保留 10 余量 电机在运行过程中应该同时起停 而不要中途投入 退出 问 怎么设定加减速时间及转矩提升 答 1 负载的惯量大 一般起动转矩小 所以 加减速度时间值设定大时 转矩提升值要 设定小 2 起动转矩大的负载 一般惯量小 所以 加减速时间设定小时 转矩提升要设定大 一些 而且 如果加减速时间长 大电流流过的时间长 逐步加大转矩提升 电流会逐 步减小 直到电流反而增大时 停止转矩补偿的提升 始动频率设得高一些 5 10Hz 3 用矢量控制模式 自动设转矩补偿 问 如何最大限度地减少干扰 答 1 对产生干扰方 变频器 的对策 传导干扰 在输入侧用干扰滤波器 在输入 侧使用干扰滤波器 输入专用 零相电抗器 接地电容 绝缘变压器 感应干扰 把 输入 输出线 动力线 信号线分离 采用屏蔽线 并使用电源线滤波器 共用扼流圈 磁 环 正确接地 辐射干扰 注意控制柜子中的安装和动力线的金属配管 降低载 波频率也有效果 2 对被干扰方的对策 尽量远离变频器 信号线采用屏蔽线 且屏蔽线只有一端 和共用端相接 还可以使用磁环和滤波电容 在电源线中插入电源线滤波器 正常状 态扼流器 小型的噪音滤波器 接地线的分离 问 是否可以由输入侧电磁接触器来进行运转 停机 答 不可以 因为 频繁开 关时 会导致充电电阻损坏 马达自由空转时 会产生过电 流 容易击穿逆变模块 问 出现整流桥损坏如何解决 答 电网与变频器的不协调 可能造成变频器整流桥的损坏 可以考虑装输入交流电抗器 选购件对应 需要装交流电抗器的判断条件如下 1 变压器容量大于 500KVA 且变压器容量与变频器容量的比大于 10 时 2 同一电源变压器装有可控硅负载或功率因素补偿电容器时 3 电源三相电压不平衡超过 3 时 4 需要改善输入功率因素时 三 安装及使用事项三 安装及使用事项 安装外围设备问题 在安装变频器时首先要了解变频器的使用场合 根据现场的需要设置不同的外围设备 这里变频器的主要外围设备有 空气断路器 电磁接触器 交流电抗器 制动电阻 直流 电抗器 输出交流电抗器 无线噪声滤波器等等 1 空气断路器是一种不仅能正常接触和断开电路 并能在过电流 逆电流 短路和失 欠 电压等非正常情况下动作的自动电器 其主要作用是保护交 直流电路内的电气设 备 也可以不频繁地操作电路 在这里用来迅速切断变频器 防止变频器及其线路故障导 致电源故障 2 交流电抗器又叫 AC 电抗器 电源协调用的交流电抗器 其主要功能是防止电源电 网的谐波干扰 3 交流接触器简称接触器 它是用来频繁远距离接