變頻調(diào)速給水設備廠家對PLC與變頻器控制系統(tǒng)的設計
變頻調(diào)速給水設備廠家對PLC與變頻器控制系統(tǒng)的設計
變頻調(diào)速給水設備系統(tǒng)簡介
為改善生產(chǎn)環(huán)境，中贏公司投資清潔水技改工程并建成一座日產(chǎn)水2.5萬頓的供水系統(tǒng)，分別建設了抽水泵系統(tǒng)、加壓泵系統(tǒng)和高位水池。根據(jù)公司用水需求特點，從抽水泵系統(tǒng)過來的水一部分直接供給生產(chǎn)用水部門，一部分則需通過加壓泵輸送到高位水池，而供給生產(chǎn)用水部門的水壓與供給高位水池的水壓相差較大。同時高位水池距抽水泵房較遠達十多公里，高位水池的液位高低和加壓泵系統(tǒng)的設計以及如何與抽水泵系統(tǒng)“聯(lián)動”也是較難解決的。
鑒于以上特點，從技術可靠和經(jīng)濟實用角度綜合考慮，我們設計了用PLC控制與變頻器控制相結合的自動恒壓控制供水系統(tǒng)，同時通過主水管線壓力傳遞較經(jīng)濟地實現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠程聯(lián)動”的控制目的。
變頻調(diào)速給水設備系統(tǒng)方案
系統(tǒng)主要由公司的PLC控制器、ABB公司的變頻器、施耐德公司的軟啟動器、電機保護器、數(shù)據(jù)采集及其輔助設備組成（見圖1）。
2.1 抽水泵系統(tǒng)
整個抽水泵系統(tǒng)有150KW深井泵電機四臺，90KW深井泵電機兩臺，采用變頻器循環(huán)工作方式，六臺電機均可設置在變頻方式下工作。采用一臺150KW和一臺90KW的軟起動150KW和90KW的電機。當變頻器工作在50HZ，管網(wǎng)壓力仍然低于系統(tǒng)設定的下限時，軟起動器便自動起動一臺電機投入到工頻運行，當壓力達到高限時，自動停掉工頻運行電機。一次主電路接線示意圖見圖2所示。
系統(tǒng)為每臺電機配備電機保護器，是因為電機功率較大，在過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機空轉等情況下為確保電機的良好使用條件，達到延長電機的使用壽命的目的。
系統(tǒng)配備水位顯示儀表，可進行高低位報警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質監(jiān)控，同時也保護電機制正常運轉工況。
系統(tǒng)配備流量計，既能顯示一段時間的累積流量，又能顯示瞬時流量，可進行出水量的統(tǒng)計和每臺泵的出水流量監(jiān)控。
2.2 公司內(nèi)不同壓力供水需求的解決
為穩(wěn)定可靠地滿足公司內(nèi)部分區(qū)域供水太力（0.4~0.45Mpa）低于主管網(wǎng)水壓力（0.8~0.9Mpa）的要求，配備穩(wěn)壓減壓閥來調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0.1~0.8Mpa。
2.3 加壓泵系統(tǒng)
由于抽水泵房距離高位水池較遠，直接供水到高位水池抽水泵的揚程不足，為此在距離高位水池落差為36米處設計有一加壓泵房，配備立式離心泵兩臺（一用一備）電機功率為75KW，揚程36米。該加壓泵的控制系統(tǒng)需考慮以下條件：
（1）若高位水池水位低和主管有水，則打開進水電動蝶閥和起動加壓泵向高位水池供水；
（2）若高位水池水位滿且主管有水，則給出報警信號并關閉加壓泵和進水電動蝶閥；
（3）若主管無水表明用水量增大或抽水泵房停止供水， 須開啟出水電動蝶閥由高位水池向主管補充不。
像抽水泵一樣，我們?yōu)榧訅罕门鋫淞塑浧饎悠骱碗姍C保護器，確保加壓泵長期可靠地運轉，同時配備了高位水池的水位傳感器和數(shù)顯儀和缺水傳感器。
為保證整個主水管網(wǎng)的恒壓供不，當高位水池滿且主水管有水時，加壓泵停止，此時主管壓力將“憋壓”， 終將導致主管壓力上升，并將此壓力傳遞到抽水泵房，抽水泵的控制系統(tǒng)檢測到此壓力進行恒壓變頻控制，進而達到整個主管網(wǎng)的恒壓供水，這是整個控制系統(tǒng)設計的關鍵。
變頻調(diào)速給水設備系統(tǒng)實現(xiàn)功能
3.1 全自動平穩(wěn)切換，恒壓控制
主水管網(wǎng)壓力傳感器的壓力信號4~20mA送給數(shù)字PID控制器，控制器根據(jù)壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，并給出信號直接控制變頻器的轉速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓和穩(wěn)定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被 PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運轉仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。
當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在較低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到末后一臺泵用主頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設計六臺泵為兩組，每臺泵的電機累計運行時間可顯示，24小時輪換一次，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)的泵有相同的運行時間，確保了泵的可靠壽命?？刂葡到y(tǒng)圖見圖3。
3.2 半自動運行
當PLC系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，自動控制系統(tǒng)失靈，這時候系統(tǒng)工作處于半自動狀態(tài)，即一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。
3.3 手動
當壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，六臺泵可分別以手動工頻方式運行。
4 實施效果
實際運行證明本控制系統(tǒng)構成了多臺深井泵的自動控制的較經(jīng)濟結構，在軟件設計中充分考虎變頻與工頻在切換時的瞬間壓力與電流沖擊，每臺泵均采用軟起動是解決該問題關鍵。變頻器工作的上下限頻率及數(shù)字PID控制的上下限控制點的設定對系統(tǒng)的誤差范圍也有不可忽視的作用。
①采用變頻恒壓供水，消除了主管網(wǎng)壓力波動，保證了供水質量，而且節(jié)能效果明顯，并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。
②用穩(wěn)壓減壓閥經(jīng)濟地解決了不同用水壓力的問題。
③拓寬運用變頻恒壓控制原理，較好地解決了加壓泵房與抽水泵房的遠程通訊總是并達到異地連鎖控制的目的。
④在抽水泵房設置連續(xù)液位顯示，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機，設定的取水位置，確保水的質量。
⑤電機既有電機保護器，又有軟起動器，克服了起動時的大電流沖擊，相對延長了電機制使用壽命。
⑥由于采用PLC控制的壓力自動控制，可以實現(xiàn)無人遠程操作，系統(tǒng)的PLC預留有RS485接口，可與公司總調(diào)度室計算機網(wǎng)絡進行連接。
⑦由于系統(tǒng)采用閉環(huán)恒壓控制，電機在滿足主水很容易網(wǎng)的壓力的前提下，節(jié)能效果顯著，年節(jié)電61萬度，折合為人民幣36萬元。
⑧通過采用變頻器控制，可在不同季節(jié)、節(jié)假日、日夜及上下班等全面調(diào)控水量，按日節(jié)水100噸計，則年可節(jié)水36500噸。
變頻調(diào)速給水設備簡介
水泵調(diào)速是目前較有效、較理想的水泵節(jié)能措施。20世紀自80年代以來，水泵調(diào)速技術迅速發(fā)展，采用較多的有可控硅串級調(diào)速，液力耦合調(diào)速、電磁調(diào)速和變頻調(diào)速等技術。變頻調(diào)速給水設備目前應用較廣。在應用中應合理選用，使其在高效區(qū)工作，因地制宜，發(fā)揮其應有的節(jié)能效果
變頻調(diào)速給水設備特點及適用范圍
變頻調(diào)速給水設備時單設水泵給水的方式之一，不同點在于水泵是調(diào)速的。（變頻調(diào)速）在一般情況下，設備沒有水量調(diào)節(jié)和儲存功能，因此電源 須可靠，可采用雙電源或雙回路供電。水泵的選型應按設計秒流量及所需供水揚程確定。根據(jù)系統(tǒng)實際用水量的變化即通過系統(tǒng)壓力的變化改變水泵的供電頻率，從而改變水泵的轉速達到自動調(diào)節(jié)水泵的出水量。
變頻調(diào)速給水設備適用范圍：凡需要增壓的給水系統(tǒng)及熱水系統(tǒng)均可選用變頻調(diào)速給水設備。水泵運行宜采用自灌式啟動。 生活、生產(chǎn)給水系統(tǒng)的變頻調(diào)速給水設備可不設水箱。
變頻調(diào)速給水設備特點
1）變頻調(diào)速給水設備優(yōu)點
（1）可調(diào)節(jié)水泵出水量，適用水量的變化通過壓力、流量的信號，經(jīng)變頻器適用變頻率變化進而改變水泵轉數(shù)，達到調(diào)節(jié)水泵出水量的目的。
（2）節(jié)約電能，水泵的供水曲線可以和管網(wǎng)的用水曲線相吻合，水泵機組實行軟啟動，電流沖擊小可達到節(jié)電目的。
（3）變頻調(diào)速恒壓變量給水設備，供水壓力一直被控制在設定的壓力下，不會出現(xiàn)用水小時管網(wǎng)壓力超過設定壓力的現(xiàn)象。
（4）節(jié)約材料，節(jié)省占地面積，較其他增壓給水設備減少了氣壓水罐，高位水箱或水塔等，節(jié)省了材料和相應的建筑面積。
（5）管理方便、維修簡單。
2）變頻調(diào)速給水設備缺點
（1）變頻調(diào)速價格較貴，因而整機價格高于一般同等供水能力的其他給水設備。
（2）目前變頻器大部分還要依賴進口。
（3）變頻器、控制器對環(huán)境條件和使用條件要求較高，易損壞不易維修。
（4）當供水范圍較小，用水變化幅度過大時，節(jié)能效果不明顯，甚至不節(jié)能。
（5）對電源要求較高， 須可靠，保護功能要求齊全。
變頻調(diào)速給水設備分類
1）按供水方式分
（1）恒壓變量供水，供水壓力始終保持一個恒定值。
（2）變壓變量供水，供水壓力隨流量變化而變化。
2）按結構形式分
（1）整體式。
（2）分散式。
3）按控制方式分
（1）微機控制型，控制核心由單片機組成。
（2）PC控制型，控制核心由可編程控制器組成。
4）按系統(tǒng)分
（1）生活給水系統(tǒng)。
（2）產(chǎn)給給水系統(tǒng)。
（3）生活、生產(chǎn)合用給水系統(tǒng)。
5）按水泵臺數(shù)分
（1）單臺式，控制一臺水泵調(diào)速運行。
（2）多臺式，控制一臺水泵變頻調(diào)速，多臺工頻（以不超過四臺為宜）水泵并聯(lián)運行。
1.5行業(yè)標準
《微機控制變頻調(diào)速給水設備》JG/T3009-1993。
變頻調(diào)速給水設備選用及設計要點
1）水泵的工作點應選在水泵的高效工作區(qū)內(nèi)。
2）水泵的工作點不得選在水泵流量—揚程曲線的延長線上。
3）水泵的出水量宜選在水泵特性曲線的右側，適實際工作點向左推移。
4）當用水量小于調(diào)速泵1/4流量時，變頻調(diào)速泵應自動停止運行。
5）當變頻調(diào)速給水設備配有氣壓水罐供水時，當用水量小于一臺調(diào)速泵1/4流量時，宜自動轉入小泵與氣壓水罐供水，當用水量大于一臺調(diào)速泵1/4流量時，再自動轉入調(diào)速泵供水。
6）水泵調(diào)速的范圍選擇不應出現(xiàn)水流阻塞和低頻端出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。
7）調(diào)速泵與恒速泵配合時，可選用一臺為調(diào)速泵，其余為恒速泵。
8）根據(jù)系統(tǒng)用水的特點（用水曲線）來選擇變頻調(diào)速給水設備的類型。
（1）當高峰用水量大，低谷用水量小，且時間持續(xù)較長，應配備適合低谷用水量的水泵。
（2）當?shù)凸扔盟啃∏覕嗬m(xù)出現(xiàn)，應配備氣壓給水設備。
（3）當市政給水管網(wǎng)供水不足時，設備應配有無水停機裝置。
（4）在非用水高峰期，市政給水網(wǎng)能直接供水時，變頻調(diào)速給水設備應有相當措施（如射流泵輔助）。
9）要選用符合行業(yè)標準的產(chǎn)品。
10）要選擇整機經(jīng)過鑒定（評估）型式檢驗的產(chǎn)品。
變頻調(diào)速給水設備的技術條件
1）設備輸入電壓和控制器輸入電壓的波動不超過額定電壓±10%時，應能正常工作。
2）設備應具有自動調(diào)節(jié)水泵轉速和軟啟動的功能。恒壓給水時，設定壓力與實際壓力之差，不得超過0.01Mpa；變壓給水時，給水系統(tǒng)工作壓力應按管道工作特性曲線改變。
3）設備應具有水池水位“報警”及水泵控制功能，超過較高水位時“報警”，降至較低水位時“報警”及停機，恢復到起泵水位時，自動啟動。
4）設備應有觀察設定壓力和實際壓力顯示的窗口。
5）設備應有觀察水泵供電頻率顯示的窗口。顯示范圍為0~50Hz。
6）設備應有觀察故障的顯示窗口。
7）設備應有對各類故障進行自檢、報警，對可恢復的故障應能自動或手動消警，恢復正常運行。
8）設備應有過載、短路、過壓、缺相、欠壓、過熱等的保護功能。
變頻調(diào)速給水設備的環(huán)境要求：
（1）溫度5~40℃。
（2）相對濕度：溫度20℃時，不大于90%。
（3）海拔高度：不超過1000m。
（4）設備安裝的地點，應無導電和爆炸性塵埃，無腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體或蒸汽。
變頻調(diào)速給水設備電控柜的設置要求：
（1）柜底應高出地面0.1m。
（2）柜頂距屋頂（板頂）的距離不小于0.1m。
（3）柜臺壁距墻面應有0.8m的通道。
11）管路系統(tǒng)應在較低處設泄水裝置。
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