多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统设计_论文

多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统摘要本文采用变频调速方式自动调节水泵转速或加、减泵。自动完成泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供水。系统断电恢复后可自启动。并详细说明系统硬件构成、软件设计、工作原理、运行方式、参数整定等系统主要采用三菱PLC和西门子变频,来实现所需要的功能关键词恒压供水变频调速水泵PLCMANYPUMPSCIRCULATEANDSURELYEXCHANGETHEPERMANENTPRESSUREWATERSUPPLYFREQUENCYCONVERSIONVELOCITYMODULATIONSYSTEMVOLUNTARILYABSTRACTINTRODUCETHATTHEPERMANENTPRESSUREFEEDWATERSYSTEMSBASEDINGONPLCOFONEKINDOFREPLACEMENTWATERTOWERWATERSUPPLYFORMSANDTHEWORKPRINCIPLETHESYSTEMADOPTSTHEFREQUENCYCONVERSIONVELOCITYMODULATIONMETHODAUTOCONTROLWATERPUMPELECTRICALMACHINERYTOROTATESPEEDORADDSANDSUBTRACTSTHEPUMPTHATTHECHANGEISBEFORE“AFTEROPENINGFIRSTSTOPS“THEMETHOD,ANDACCOMPLISHESTHATTHEPUMPGROUPSOFTLYSTARTSANDDOESNOTHAVELASHINGSURELYEXCHANGES,ANDMAKESTHESMOOTHANDSTEADYTRANSITIONOFHYDRAULICPRESSUREVOLUNTARILYTHESYSTEMSTILLCANRUNDURINGTHEFREQUENCYCONVERTERTROUBLE,ANDTHEGUARANTYISNOTDISCONNECTEDWATERSUPPLYTHESYSTEMCANSTARTCERTAINLYAFTERSTOPPINGPROVIDINGELECTRICITYTORECOVERTHEKEYWORDPERMANENTPRESSUREWATERSUPPLYTHEFREQUENCYCONVERSIONVELOCITYMODULATIONTHEWATERPUMPPLC一系统概述一传统的供水方式1水箱/水塔供水重力供水这种方式供水压力比例恒定，且有储水，但它是由位置高度形成的压力来供水的，为此需建造水塔或将水箱置于建筑物屋顶上。2气压供水。这种供水方式一般是在地下室或空旷处加压将水送到管网中。优点是建设快，可通过改变压力来满足不断增长的供水需求。缺点是建压力罐其体积和投资大，还需设置空压机充气，消耗电能大，运行费用高。二恒压供水变频调速系统其控制框图如下所示。由变频器向电机供电，由电机拖动水泵，通过压力传感器把在出口水压检测点测得的压力（反映用水量大小）反馈信号与压力给定信号经比较送入调节器，再将调节器的输出信号作为变频器的频率给定信号，由此来根据用水需求量自动调节供水量的大小。图11恒压供水系统的系统图恒压供水变频调速系统的主要优点是1占地面积小，安全可靠，投入成本并不高，而运行效率很高。由于一天内平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减小，因此水泵的寿命大大提高。2变频调速能对水泵实现软起动和软停车，由此可消除水锤效应，减少对管网的冲击。自动化程度高三系统控制要求本系统采用三台同容量的水泵供水，具体的控制要求是1用水量少时由变频器驱动一套电机泵组，且根据用水量自动调节泵速，另两套电机泵组停车。2当此泵速达到最高仍不能满足用水需求时，则起动第二套电机泵组并由变频器供电，而第一套自动切换由工频电网直接供电。3两套电机泵组供水时，若第二套泵速最低时仍大于用水需求，则自动切除第一套泵组；若第二套泵速最高时仍小于用水需求，则自动起动第三套电机泵组并由变频器供电，而第二套自动切换由工频电网直接供电，第一套仍由工频电网直接供电。4三套电机泵组供水时，若第三套泵速最低时仍大于用水需求，则自动切除第一套泵组，第二套仍由工频电网直接供电。同理,以次减之之后周而复始，实现自动循环切换，因此各台泵的平均使用寿命得到提高。四设计内容和要求1选择变频器，根据要求设置主要参数。2若采用PLC，则选择PLC并设计程序（梯形图或状态图以及指令程序）。3设计变频器和水泵电机的主回路，绘制变频器和PLC的接线图。二方案选择多泵并联变频恒压工作模式通常是当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量,由一台变频泵调速恒压供水当用水流量增大,变频泵的转速自动上升当变频泵的转速上升到工频转速,为用水流量进一步增大,由变频供水控制器控制,自动启动一台工频泵投入,该工频泵提供的流量是恒定的工频转速恒压下的流量,其余各并联工频泵按相同的原理投入。在多泵并联变频恒压变量的供水情况下,当用水流量下降,变频调速泵的转速下降当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令,自动关闭一台工频泵使之超出并联供水为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击在投入时,变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求在超出时,变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求上述频率自动上升,下降由供水变频控制器控制。另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中,当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时,由变频泵自动调速供水,当用水流量增大,变频泵的转速升高当变频泵的转速升高到工频转速,由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电不通过变频器供电。变频器则另外启动一台并联泵投入工作随用水流量增大,其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入这就是循环软启动投入方式。当用水流量减少,各并联工频泵按次序关泵超出,并泵超出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制。三系统工作原理一系统结构图31恒压供水系统的工作原理图变频恒压供水系统工作原理如图1；它主要有PLC、变频器、压力传感器、动力及控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成420MA标准信号送入变频器内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到420MA参数，420MA信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，变频器调节水泵的转速不同、工作频率也就不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，管路压力减小,变频器频率迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个上限频率到达开关信号给PLC；当用水处于低峰时，管路压力增大，变频器输出频率下降并达到下限频率，变频器也输出一个下限频率到达开关信号给PLC；两个信号不会同时产生。系统始终保持每个时刻都有变频泵在运行，自动调节管路内的压力，当产生任何中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。变频器输出的信号即反馈给PLC,一个信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。二工作原理图32恒压供水系统的变频器主回路图图33恒压供水系统的变频器外部接线图图34MICROMASTER440方框图图32中Q0为总电源进线断路器、Q01为变频器的电源进线断路器、Q1、Q2、Q3为1、2、3泵工频电源进线断路器、FU为电压转换开关的熔断器、SV为电压转换开关、PV为电压表KM1、KM2、KM3为泵1、2、3变频接触器回路设计变频器的接线见图33，变频器10，11端子是模拟量输入端口。5，9端子是起动停止信号，9号端子是变频器自带的24V电源，当5号端子有正电源时，变频器允许起动断开时停止运行，因此在5，9号端子连线之间串接了一副继电器辅助触点KA1，当辅助触点闭合时，变频器可起动，断开时变频器停止。通过控制KA1的闭合和断开，在泵切换时进行断开变频器的控制。21端子输出下限频率信号到PLC输入端，24号端子输出上限频率信号到PLC输入端。在变频器外部接线图中可知见图32，在变频器控制的一路，因变频器自带过流和过热保护，所以没有设过热保护，在工频控制一路我们设置了热继电器，在每个泵的变频器控制和工频控制的两路我们都通过PLC输出控制每个接触器线圈来互相自锁。接触器采用DC24V线圈接触器。开始工作时，1泵变频启动，泵的转速上升，如变频器的频率达到50HZ而此时水压还未达到设定值，变频器检测到上限频率并输出一个开关信号给PLC，上限频率信号保持5分钟时间后，1泵迅速切换至工频运行，同时解除变频器运行信号1秒，然后切换到2泵由变频器驱动，若此时压力上升，变频器输出下限信号，系统自动切断1工频泵，由2变频泵单独运行。若此时压力下降未达到设定值，变频器输出50赫兹上限运行信号，则2泵切换至工频，3泵变频启动。在运行中始终保持一台泵变频运行。当在1泵工频运行，2泵变频运行时，管路压力未达到设定值时，变频器输出一个上限频率信号至PLC，由PLC控制切除2泵变频运行，此时由2泵工频运行、3泵变频运行，同时保持1泵工频运行。如果此时压力上升，变频器频率达到下限频率，同样输出下限信号给PLC，PLC解除1工频泵，由2工频泵和3泵变频运行来维持管网压力。当压力上升，变频器频率下降，输出下限频率信号后，2工频泵切断，此时由3泵单独运行来维持管路压力。此时如管道压力下降，变频器达到上限频率，并输出上限压力信号，3变频泵转换为工频运行，1泵变频启动，若压力仍不满足则1变切换为1工，2泵变频运行，并保持3泵工频运行。三台泵同时工作以保证供水要求。见图45这样的切换过程有效地减少泵的频繁起停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。图35各泵工作状态时序图四PLC程序设计变频泵循环运行优点很多,但是实现起来关键问题是变频器输出切换问题。将水泵电动机从变频器供电切换到工频电网供电,将可能遇到很大的电流冲击考虑到变频器每次切换的时会产生的冲击，如图41所示,以第1台电机为例在KM1断开以后,定子绕组是开路的,不可能有励磁电流。而转子绕组是自成回路的,其电流有一个逐渐衰减的过程,它将产生一个逐渐衰减的直流磁场,而定子三相绕组将和此旋转的直流磁场相互切割,从而产生出相应的感应电动势,即电动机在切断电源以后,存在着一个处于非同步发电状态的电磁过渡过程。非同步发电状态不同于电动机的再生发电状态,电动机的再生发电状态是指定子绕组必须和电源相接,以得到励磁电流。而此这时是电机已经脱离电源。我们在应用中是在水泵脱离变频器后,等待一段时间待电动机的反电动势降下来以后再接到工频电源。在切换的时候PLC先发出停止信号，停止变频器运行1S使变频器降速到零，在起动前段会有下限低的信号，造成不能正常起动，在变频器切换时都有2S钟的信号下限信号隔离的设计。每次切换时都保持下限和上限信号连续保持5分钟后方可切换，以避免因变频频率波动而产生的频繁切换。输入定义号注释输出定义号注释X001变频器下限频率输入信号Y0011泵变频运行接触器X002变频器上限频率输入信号Y0021泵工频运行接触器X003手动/自动选择开关Y0032泵变频运行接触器X0041泵手动运行允许输入信号YOO42泵工频运行接触器X0052泵手动运行允许输入信号Y0053泵变频运行接触器X0063泵手动运行允许输入信号Y0063泵工频运行接触器Y007变频切换停止继电器表41PLC输入、输出分配表M1上2上M上3上上上M12上3LPEN24VOOV4图42PLC输入、输出接线图上X03M1上042上X05M3上06上1上2上3上24V图43转换开关接线图图43梯形图1图44梯形图2图55梯形图3五变频器参数设定1P00100准备运行10P0732532低于最小频率数字输出22P01000工作地区50HZ11P073352A已达到最大频率数字输出33P0304380电动机的额定电压12P10003频率设定值的选择4P030536电动机的额定电流13P108015电动机的最小频率5P03P7185电动机的额定功率14P108250电动机的最大频率6P031050电动机的额定频率15P112010斜坡上升时间7P03111470电动机的额定速度16P112110斜坡下降时间8P07000选择命令源17P2253755PID设定值信号源9P07011接通正转/OFF1命令18P2264755PID反馈信号六系统各部分的选型一变频器选型通过电机容量选用变频器,考虑安全和余量采用西门子型号为6SE64402AD322DA1功率22KWMICROMAST二PLC控制系统及选型该系统采用三菱FX2N32ET，I/O点数为32点，继电器输出，PLC编程采用三