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。GP（）（）2（-）DBDBR（+）P1DBDBDCR直流电抗器外部制动电阻图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。GP（）（）2（-）DBDBR（+）P1DBDBDCR直流电抗器外部制动电阻图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9905MOTORNOMVOLT380额定电压9906MOTORNOMCUUR额定电流9907MOTORNOMFREQ50额定频率9908MOTORNOMSPEED1440额定转速9909MOTORNOMPOWER额定功率1102EXT1/EXT2/SEL1外部给定选择1103EXT1SELECT11104REF1MIN3最小给定1105REF1MAX47最大给定2202ACCELERTIME15S加速时间2203DECELERTIME25S减速时间二、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①如果加减速时间长，大电流流过的时间长。②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。③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：①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。②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。③辐射干扰……注意控制柜子中的安装和动力线的金属配管。④降低载波频率也有效果。2、对被干扰方的对策：①尽量远离变频器。②信号线采用屏蔽线，且屏蔽线只有一端和共用端相接。③还可以使用磁环和滤波电容。④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）。⑤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①频繁开/关时，会导致充电电阻损坏。②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