自动化工程应用实例二恒压供水

自动化工程应用实例

（二）恒压供水系统由水泵-管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有两种方法：1.节流调节：开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。水泵转速不变，浪费能量。2.转速调节：水泵转速升高，供水流量增加，转速下降，流量降低。对于用水量经常变化的生活用水场合，节能效果明显。一、供水流量调节原理1.变频器闭环控制供水系统的关键是压力恒定，压力低则高层无法得到供水，压力高则浪费能量。传统的方法是使用水箱或水塔，但在供水质量、日常维护和应付火警等方面均显示出明显的不足。利用变频器压力闭环控制可以实现无塔恒压供水，获得了广泛应用。二、变频器

在恒压供水系统中的应用1.变频器闭环控制不同品牌的变频器端子名称不同。图2-1变频恒压

供水系统图2-1示出了一个恒压供水系统。水泵电动机M由变频器VF供电,SP是压力传感器,其检测到的压力信号作为反馈信号XF被送到变频器的反馈信号输入端(VPF)。压力给定信号XT从外接电位器RP上取出,接到变频器的给定信号输入端(VRF)。不同的变频器端子符号有所不同。变频器内置有PID调节器，调节器的输出是频率给定。假设Q1是水泵输出的“供水流量”,而Q2是用户所需要的“用水流量”,显然：如果Q2>Q1,则压力必减小,反馈信号XF也随之减小；反之,如果Q2<Q1,则压力必增大,反馈信号XF也随之增大；如果Q1=Q2,则压力保持不变,反馈信号XF也保持不变,则水泵的“供水流量”和用户的“用水流量”之间处于平衡状态；变频器通过内部的PID调节功能,不断地根据给定信号XT与来自SP的反馈信号XF之间的比较结果,调整变频器的频率,从而调整电动机的转速,达到供需平衡,使水压保持恒定。Q

P(XF)ΔPIDfXtttt0t1t2t3t4图2-2恒压供水的调节过程(a)流量(b)压力(c)调节量(d)频率a)b)c)d)

0~t1段：流量Q无变化,压力P也无变化,PID的调节量ΔPID为0,变频器的输出频率fX也无变化；

t1~t2段：流量Q增加,压力P有所下降,产生正的调节量(ΔPID为正),变频器的输出频率fX上升；

t2~t3段：流量Q稳定在一个较大的数值,压力P已经恢复到给定值,调节量ΔPID=0,变频器的输出频率fX停止上升；

t3~t4段：流量Q减小,压力P有所增加,产生负的调节量(ΔPID为负),变频器的输出频率fX下降；

t4以后：流量Q停止减小,压力P又恢复到给定值,调节量为0,变频器的输出频率fX停止下降。由于采用变频调速，该恒压供水系统可以节能，特别是在流量小的情况下节能效果明显。多数品牌通用变频器支持恒压供水功能，无须增加任何硬件，也无须修改软件，只要适当设定变频器的工作模式与有关参数（PID参数等）就可以了，这是通用变频器众多功能当中的一个。1.变频器闭环控制·变频恒压供水系统由PLC控制器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器和其它电控设备及泵组构成，如图2-3所示。·在供水系统总出水管上安装压力变送器。PLC具有模拟量输入模块，可检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，并将检测的压力信号与给定的压力信号的差值经运算后，输出频率给定给变频器,达到调节电动机的转速，保持供水压力的恒定的目的。2.恒压供水系统的组成蓄水池（小区水厂）交流接触器PLC变频器4#泵3#泵2#泵1#泵PP压力信号液位信号市政供水管闸图2-3小区变频恒压供水系统框图出水管网返回10PLC自动动检检测测水水池池水水位位信信号号并并与与设设定定的的水水位位下下限限比比较较，，如如果果水水位位低低于于下下限限，，输输出出水水位位报报警警信信号号或或直直接接停停机机。。该该系系统统还还有有多多种种保保护护功功能能，，可可以以保保证证正正常常供供水水，，做做到到无无人人值值守守。。如果果供供水水系系统统配配置置一一台台变变频频器器和和多多台台水水泵泵电电机机，，PLC还要要自自动动完完成成多多台台水水泵泵电电机机的的投投切切。。2.恒压压供供水水系系统统的的组组成成该系系统统有有手手动动和和自自动动二二种种工工作作方方式式。。（1）手手动动运运行行·按下下按按钮钮，，工工频频启启动动或或停停止止水水泵泵，，可可根根据据需需要要控控制制泵泵的的启启、、停停。。该该方方式式主主要要供供检检修修及及变变频频器器出出故故障障时时使使用用。。·手动动启启动动水水泵泵电电机机需需要要使使用用软软启启动动器器或或其其它它降降压压启启动动措措施施。。3.恒压压供供水水系系统统的的工工作作原原理理（2）自自动动运运行行合上上自自动动开开关关后后，，系系统统自自动动变变频频启启动动1#泵，频率率从0Hz开始上升升，同时时PID调节器接接收到来来自压力力传感器器的信号号，与压压力给定定信号比比较，如如果压力力不够，，则调节节器指挥挥频率继继续上升升。直到到50Hz，此时如如果压力力仍达不不到给定定值，说说明一台台水泵不不够，1#泵由变频频运行切切换到工工频运行行，然后后变频启启动2#泵，逐渐渐升高频频率至适适当值，，水压达达到给定定值。多多次加泵泵依次类类推。3.恒压供水水系统的的工作原原理如果用水水量减少少，则先先启动的的泵开始始退出。。如果电源源瞬时停停电，则则系统停停机。待待电源恢恢复正常常后，系系统自动动恢复运运行，按按自动运运行方式式变频启启动1#泵，重复复上述操操作，直直到在给给定水压压值上稳稳定运行行。变频自动动运行无无需软启启动器。。？3.恒压供水水系统的的工作原原理使用外加加的PID调解器完完成闭环环控制，，如下图图所示，，外加的的PID调解器可可以是PLC，如图2-3所示；也也可以是是专用的的恒压供供水控制制器，如如图2-5所示。图2-5专用恒压压供水系系统控制制器在供水系系统中采采用变频频调速运运行方式式，可根根据实际际需要设设定水压压，系统统自动调调节水泵泵电动机机的转速速或加减减泵，使使供水系系统管网网中的压压力保持持在给定定值，以以求最大大限度的的节能、、节水、、节地、、节资，，使系统统可靠运运行，实实现恒压压供水。。该项技术术已经获获得推广广，是今今后的发发展方向向。4.总结1.系统介绍绍·在自来水水厂的供供水泵站站中，系系统一般般由若干干台扬程程相近的的水泵组组成，传传统的调调节水压压和流量量的方式式是人工工投切运运行水泵泵的台数数。·以供水能能力为4-6万吨∕日日的自来来水厂为为例，一一种可能能的水泵泵配置为为3台160kW和一台90kW的水泵组组成。三、自来来水厂循循环投切切变频恒压压供水系系统1.系统介绍绍·传统的调调节方法法是，若若供水量量较大，，流量和和管网水水压已经经不能满满足要求求，这时时需人工工投入水水泵；若若供水量量减小，，管网水水压会升升高，此此时又需需人工切切除水泵泵。·在深夜用用水量较较小时，，用一台台功率较较小的水水泵供水水。三、自来来水厂循循环投切切变频恒压压供水系系统1.系统介绍绍·为避免““水锤””效应，，人工投投切时，，投入泵泵应遵循循“先开开机，后后开阀””，切除除泵应遵遵循“先先关阀，，后停机机”的操操作顺序序。若是是小功率率的水泵泵，则水水泵的出出水侧都都装有““止回阀阀”。·现在最常常用的方方法是变变频恒压压供水。。三、自来来水厂循循环投切切变频恒压压供水系系统BP1BU1PLCPTM13~M23~M33~M43~DZ1DZ2DZ3DZ4DZ5DZ6KM3KM5KM7KM9RJ1RJ2RJ3RJ4KM2KM4KM6KM8KM1KM10FU1FU2LRO1RO2RO3ZJ1ZJ2图2-6变频恒压压供水循循环投切切方案系系统图变频器软启动器器压力变送器可编程控控制器水泵电机返回26返回24返回34（1）变频恒恒压供水水系统的的控制方方案由于城市市自来水水的用量量随季节节的变化化而变化化，随每每日时段段的不同同而不同同，所以以，为使使供水压压力恒定定，最常常用的方方案是采采用变频频恒压供供水系统统。即压力变变送器装装在主管管网上检检测压力力信号，，再将此此压力信信号送到到变频器器的模拟拟信号输输入端，，由此构构成构成成压力闭闭环控制制系统。。1.系统介绍绍（1）变频恒恒压供水水系统的的控制方方案可以采用用的一种种方案是是循环投投切，见见图1-6所示。图图中，BP1为变频器器；BU1为软启动动器，PT为压力变变送器；；ZJ1、ZJ2用于控制制系统的的启动/停止和自自动/手动转换换开关。。1.系统介绍绍（1）变频恒恒压供水水系统的的控制方方案变频器首首先驱动动第一台台水泵电电动机变变频运行行，需要要加泵时时，变频频器停止止运行，，并由变变频器的的输出端端口RO1-RO3输出信号号给PLC，由PLC控制切换换过程。。1.系统介绍绍（1）变频恒恒压供水水系统的的控制方方案切换开始始时，变变频器自自由停车车，第一一台水泵泵切换到到工频运运行，变变频器连连接到第第二台水水泵上启启动并运运行。如果需要要继续加加泵，将将第二台台水泵切切换到工工频运行行，变频频器连接接到第三三台水泵泵启动并并运行。。1.系统介绍绍（1）变频恒恒压供水水系统的的控制方方案需要减泵泵时，系系统先将将第一台台水泵停停止，如如果需要要接着将将第二台台水泵也也停止。。再需要加加泵时，，切换从从第三台台水泵开开始循环环。1.系统介绍绍（1）变频恒恒压供水水系统的的控制方方案这种方案案保证总总有一台台水泵电电机处在在变频运运行，四四台水泵泵中的任任何一台台都可能能变频运运行，长长期看各各台水泵泵运行时时间基本本相同，，给维护护检修带带来方便便。大部部分供水水厂钟情情此方案案。1.系统介绍绍（1）变频恒恒压供水水系统的的控制方方案但是，必必须设置置一套备备用系统统，图2-6中的软启启动器就就是作为为备用，，当变频频器或PLC故障时，，可用软软启动器器手动依依次启动动各泵运运行，以以保证供供水不中中断。1.系统介介绍（2）循环环投切切的工工作过过程变频器器的输输出端端只能能接负负载，，不能能接电电源，，也不不能在在运行行中切切断负负载，，切换换过程程应严严格遵遵循这这些限限制。。系统启启动后后，变变频器器频率率按设设定斜斜率上上升，，如果果频率率升到到了50Hz上限，，运行行60秒后管管网水水压未未达到到给定定值，，则该该台水水泵需需要切切换到到工频频运行行。其其切换换过程程如下下：1.系统介介绍先关闭闭该台台水泵泵电磁磁阀，，然后后变频频器自自由停停车，，水泵泵电动动机靠靠惯性性继续续运转转，考考虑到到电动动机中中的残残余电电压，，不能能将电电动机机立即即切换换到工工频，，而是是延时时一段段时间间（约约600ms），待待残余余电压压下降降到较较小值值后再再切换换，以以保证证切换换冲击击电流流较小小。残余电电压是是由于于切换换时电电机磁磁场能能量通通过转转子回回路释释放,在定子子上感感应出出电压压所致致。1.系统介介绍（2）循环环投切切的工工作过过程关阀后后停车车，水水泵电电动机机基本本上处处于空空载运运行状状态，，到600ms时，电电动机机的转转速下下降不不是很很多，，使切切换时时冲击击电流流较小小。1.系统介介绍（2）循环环投切切的工工作过过程切换完完成后后再打打开电电磁阀阀，已已停车车的变变频器器切换换到另另一台台水泵泵上启启动并并运行行，打打开电电磁阀阀。切除工工频泵泵时，，先关关阀，，后停停车，，这样样无““水锤锤”现现象发发生。。这些操操作都都是由由PLC操作自自动完完成的的。1.系统介介绍（3）软启启动与与切换换电流流冲击击变频器器故障障或检检修时时可以以使用用手动动方式式运行行系统统。鉴鉴于供供水系系统水水泵电电机一一般功功率较较大，，不宜宜直接接手动动启动动，需需要采采用星星-三角、、自耦耦变压压器降降压或或软启启动器器启动动。1.系统介介绍（3）软启启动与与切换换电流流冲击击自耦变变压器器降压压启动动时先先加60%的额定定电压压，延延时数数秒或或数十十秒钟钟后，，再切切换到到全电电压，，可以以有效效地减减小启启动电电流的的冲击击。1.系统介介绍（3）软启启动与与切换换电流流冲击击电动机机从变变频向向工频频切换换,只要切换延延时时间适适当（如前前述600ms）,冲击电流不不会很大。。电动机残余余电压的衰衰减时间一一般为1-2秒。电机磁磁场能量通通过转子回回路释放,感应出定子子电压所致致。1.系统介绍（3）软启动与与切换电流流冲击延时长,残余电压小小,但速度降落落大；延时时短,残余电压大大,但速度降落落小,选择延时时时间需二者者兼顾,以求得到最最小的切换换冲击电流流。1.系统介绍某市自来水水二厂招标标，标书提提出的要求求①设计供水水能力为6万吨∕日；；②城市管网网压力为0.4MPa；③泵组为3台160kW、1台90kW水泵；④要求恒压压供水并采采用计算机机控制；⑤变频器或或控制系统统故障可由由软启动器器手动启动动各泵。2.应用实例（1）计算机监监控的内容容①管网压力力、流量；；②泵的运行状状态、阀启启闭状态；；③电动机温度度；④各泵电动机机电流、电电压、功率率、功率因因数；⑤水质参数：：包括余氯氯、浊度、、含铁量、、PH值等。2.应用实例（2）方案框图图本系统采用用循环投切切方式，备备用系统用用一软启动动器和相关关器件构成成，如图