變頻調(diào)速給水設(shè)備廠家對PLC與變頻器控制系統(tǒng)的設(shè)計
變頻調(diào)速給水設(shè)備廠家對PLC與變頻器控制系統(tǒng)的設(shè)計
變頻調(diào)速給水設(shè)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(shè)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(diǎn)，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(yuǎn)達(dá)十多公里，高位水池的液位高低和加壓泵系統(tǒng)的設(shè)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(diǎn)，從技術(shù)可靠和經(jīng)濟(jì)實用角度綜合考慮，我們設(shè)計了用PLC控制與變頻器控制相結(jié)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(jì)地實現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠(yuǎn)程聯(lián)動”的控制目的。
變頻調(diào)速給水設(shè)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(jī)保護(hù)器、數(shù)據(jù)采集及其輔助設(shè)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(jī)四臺，90KW深井泵電機(jī)兩臺，采用變頻器循環(huán)工作方式，六臺電機(jī)均可設(shè)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(jī)。當(dāng)變頻器工作在50HZ，管網(wǎng)壓力仍然低于系統(tǒng)設(shè)定的下限時，軟起動器便自動起動一臺電機(jī)投入到工頻運(yùn)行，當(dāng)壓力達(dá)到高限時，自動停掉工頻運(yùn)行電機(jī)。一次主電路接線示意圖見圖2所示。
系統(tǒng)為每臺電機(jī)配備電機(jī)保護(hù)器，是因為電機(jī)功率較大，在過載、欠壓、過壓、過流、相序不平衡、缺相、電機(jī)空轉(zhuǎn)等情況下為確保電機(jī)的良好使用條件，達(dá)到延長電機(jī)的使用壽命的目的。
系統(tǒng)配備水位顯示儀表，可進(jìn)行高低位報警，同時通過PLC可確保取水在合理水位的水質(zhì)監(jiān)控，同時也保護(hù)電機(jī)制正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)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(yuǎn)，直接供水到高位水池抽水泵的揚(yáng)程不足，為此在距離高位水池落差為36米處設(shè)計有一加壓泵房，配備立式離心泵兩臺（一用一備）電機(jī)功率為75KW，揚(yáng)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(jìn)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(guān)閉加壓泵和進(jìn)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(bǔ)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(jī)保護(hù)器，確保加壓泵長期可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，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(dāng)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(dǎo)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(jìn)行恒壓變頻控制，進(jìn)而達(dá)到整個主管網(wǎng)的恒壓供水，這是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。
變頻調(diào)速給水設(shè)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(shè)定值與實際檢測值進(jìn)行PID運(yùn)算，并給出信號直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)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(yùn)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(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，而將另一臺備用泵投入變頻運(yùn)行。
當(dāng)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(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到末后一臺泵用主頻器恒壓供水。另外，控制系統(tǒng)設(shè)計六臺泵為兩組，每臺泵的電機(jī)累計運(yùn)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(yùn)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(yùn)行
當(dāng)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(dāng)用水量不夠時，可手動投入另外一臺或幾臺工頻泵運(yùn)行。
3.3 手動
當(dāng)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(yùn)行。
4 實施效果
實際運(yùn)行證明本控制系統(tǒng)構(gòu)成了多臺深井泵的自動控制的較經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，在軟件設(shè)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(guān)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(diǎn)的設(shè)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(zhì)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(jì)地解決了不同用水壓力的問題。
③拓寬運(yùn)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(yuǎn)程通訊總是并達(dá)到異地連鎖控制的目的。
④在抽水泵房設(shè)置連續(xù)液位顯示，并將信號傳與PLC，防止泵缺水燒壞電機(jī)，設(shè)定的取水位置，確保水的質(zhì)量。
⑤電機(jī)既有電機(jī)保護(hù)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(jī)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(yuǎn)程操作，系統(tǒng)的PLC預(yù)留有RS485接口，可與公司總調(diào)度室計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。
⑦由于系統(tǒng)采用閉環(huán)恒壓控制，電機(jī)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(shè)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(jì)自80年代以來，水泵調(diào)速技術(shù)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(shù)。變頻調(diào)速給水設(shè)備目前應(yīng)用較廣。在應(yīng)用中應(yīng)合理選用，使其在高效區(qū)工作，因地制宜，發(fā)揮其應(yīng)有的節(jié)能效果
變頻調(diào)速給水設(shè)備特點(diǎn)及適用范圍
變頻調(diào)速給水設(shè)備時單設(shè)水泵給水的方式之一，不同點(diǎn)在于水泵是調(diào)速的。（變頻調(diào)速）在一般情況下，設(shè)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(yīng)按設(shè)計秒流量及所需供水揚(yáng)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(zhuǎn)速達(dá)到自動調(diào)節(jié)水泵的出水量。
變頻調(diào)速給水設(shè)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(shè)備。水泵運(yùn)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(shè)備可不設(shè)水箱。
變頻調(diào)速給水設(shè)備特點(diǎn)
1）變頻調(diào)速給水設(shè)備優(yōu)點(diǎn)
（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(jìn)而改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，達(dá)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(jī)組實行軟啟動，電流沖擊小可達(dá)到節(jié)電目的。
（3）變頻調(diào)速恒壓變量給水設(shè)備，供水壓力一直被控制在設(shè)定的壓力下，不會出現(xiàn)用水小時管網(wǎng)壓力超過設(shè)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(shè)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(yīng)的建筑面積。
（5）管理方便、維修簡單。
2）變頻調(diào)速給水設(shè)備缺點(diǎn)
（1）變頻調(diào)速價格較貴，因而整機(jī)價格高于一般同等供水能力的其他給水設(shè)備。
（2）目前變頻器大部分還要依賴進(jìn)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(dāng)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(hù)功能要求齊全。
變頻調(diào)速給水設(shè)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(jié)構(gòu)形式分
（1）整體式。
（2）分散式。
3）按控制方式分
（1）微機(jī)控制型，控制核心由單片機(jī)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(yùn)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(yùn)行。
1.5行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
《微機(jī)控制變頻調(diào)速給水設(shè)備》JG/T3009-1993。
變頻調(diào)速給水設(shè)備選用及設(shè)計要點(diǎn)
1）水泵的工作點(diǎn)應(yīng)選在水泵的高效工作區(qū)內(nèi)。
2）水泵的工作點(diǎn)不得選在水泵流量—揚(yáng)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(cè)，適實際工作點(diǎn)向左推移。
4）當(dāng)用水量小于調(diào)速泵1/4流量時，變頻調(diào)速泵應(yīng)自動停止運(yùn)行。
5）當(dāng)變頻調(diào)速給水設(shè)備配有氣壓水罐供水時，當(dāng)用水量小于一臺調(diào)速泵1/4流量時，宜自動轉(zhuǎn)入小泵與氣壓水罐供水，當(dāng)用水量大于一臺調(diào)速泵1/4流量時，再自動轉(zhuǎn)入調(diào)速泵供水。
6）水泵調(diào)速的范圍選擇不應(yīng)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(diǎn)（用水曲線）來選擇變頻調(diào)速給水設(shè)備的類型。
（1）當(dāng)高峰用水量大，低谷用水量小，且時間持續(xù)較長，應(yīng)配備適合低谷用水量的水泵。
（2）當(dāng)?shù)凸扔盟啃∏覕嗬m(xù)出現(xiàn)，應(yīng)配備氣壓給水設(shè)備。
（3）當(dāng)市政給水管網(wǎng)供水不足時，設(shè)備應(yīng)配有無水停機(jī)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(shè)備應(yīng)有相當(dāng)措施（如射流泵輔助）。
9）要選用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。
10）要選擇整機(jī)經(jīng)過鑒定（評估）型式檢驗的產(chǎn)品。
變頻調(diào)速給水設(shè)備的技術(shù)條件
1）設(shè)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(yīng)能正常工作。
2）設(shè)備應(yīng)具有自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和軟啟動的功能。恒壓給水時，設(shè)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(yīng)按管道工作特性曲線改變。
3）設(shè)備應(yīng)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(jī)，恢復(fù)到起泵水位時，自動啟動。
4）設(shè)備應(yīng)有觀察設(shè)定壓力和實際壓力顯示的窗口。
5）設(shè)備應(yīng)有觀察水泵供電頻率顯示的窗口。顯示范圍為0~50Hz。
6）設(shè)備應(yīng)有觀察故障的顯示窗口。
7）設(shè)備應(yīng)有對各類故障進(jìn)行自檢、報警，對可恢復(fù)的故障應(yīng)能自動或手動消警，恢復(fù)正常運(yùn)行。
8）設(shè)備應(yīng)有過載、短路、過壓、缺相、欠壓、過熱等的保護(hù)功能。
變頻調(diào)速給水設(shè)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(shè)備安裝的地點(diǎn)，應(yīng)無導(dǎo)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(shè)備電控柜的設(shè)置要求：
（1）柜底應(yīng)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(yīng)有0.8m的通道。
11）管路系統(tǒng)應(yīng)在較低處設(shè)泄水裝置。
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