设计、安装、运行变频恒压供水系统

《变频器应用》2020年3月13日项目五设计、安装、运行变频恒压供水系统崇德尚技博学精工《变频器应用》项目导入变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。本项目就是使用变频器和PLC，对变频恒压供水系统进行自动控制。《变频器应用》任务描述项目背景：某市自来水网储水水池，采用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满，水位低于高水位，则自动往水池注水。该水网储水水池的供水，使用生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2复电，关闭生活用水管网，三台泵供给消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵恢复为生活供水所使用。《变频器应用》恒压供水系统图《变频器应用》《变频器应用》任务描述控制要求：1）生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压运行；2）三台泵根据恒压需要，采取“先开先停”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３h，则要切换下一台泵，避免某一台泵工作时间过长；4）三台泵都要软启动；5）要有完善的报警功能；6）对泵的控制要有手动控制功能，以便应急或检修时使用。《变频器应用》任务分析1、变频恒压供水系统的控制线路的安装1）了解恒压供水系统及PID控制的工作原理；2）确定PLC的I/O端子分配，绘制主电路及PLC接线图；3）选择PLC及其他元器件，并对主要元件进行检测；4）绘制元器件分布图，安装元器件，完成电控板的接线；5）按照线路检测步骤，对完成的电控板线路进行检测。2、编写变频恒压供水系统的PLC控制程序；3、对变频恒压供水系统进行运行与调试。《变频器应用》知识技能目标：1、了解变频恒压供水的过程及PID控制原理；2、熟练完成变频器与PLC控制系统的接线；3、进一步训练变频器与PLC应用程序的编写。素质目标：6S教育，良好职业操作规范，良好的团队合作，解决问题的能力。《变频器应用》识读线路图按图选择器件并检测元器件布局、安装、连接线路检查变频器参数设置，编写PLC控制程序，写入程序到PLC调试运行是任务实施流程：1.相关知识的学习2.任务准备（资料、操作工具等）3.任务实施4.知识拓展《变频器应用》变频恒压供水机组概述•变频恒压供水机组是一种对水泵机组进行转速调节从而实现恒压变量供水的智能型机电一体化装置，该设备由压力传感器(或远传压力表、电接点压力表)、变频器、可编程控制器、控制回路、水泵、气压罐及其他附件组成，可通过控制水泵的转速实现恒压变量供水，具有压力平稳、节能显著等优点。•变频恒压供水机组可以根据用户的要求选择多种附加功能。知识学习《变频器应用》变频恒压供水机组的特点•采用变频恒压可编程控制，可满足用户多种需求•无级变速运行，节能效果显著•可保持给水系统压力恒定，工作压力按需设定•采用变频器启动和停泵，无启动电流，延长水泵寿命•实现无人值守，PLC控制智能化运行•有效防止水锤，延长管路管件寿命•结构紧凑，占地少，投资小，施工期短，不需水塔或高位水箱•供水可靠性高，对过流、过欠压、水位过低及变频器故障可自行判断处理，具有完备的电气安全保护及电机故障跨越功能《变频器应用》变频恒压供水机组应用范围•高层建筑、城镇居民小区、企事业等生活用水•各种类型的工业用水•各种水厂、污水处理厂、农业排灌站等供水系统•空调冷热水循环系统•锅炉恒压补水系统•各类旧有供水系统的改造《变频器应用》变频恒压供水机组原理•变频恒压供水机组的原理来自于水泵比例律，而水泵比例律是由水泵的相似律推导而来的水泵的相似律：MPMPMPnnDDQQ3)(22)()(MPMPMPnnDDHH35)()(MPMPMPnnDDPP《变频器应用》•图中显示全速运转n1与变速转速n2时，水泵的性能曲线。假设我们将Qb与Hb作为水泵额定参数，在系统需水量为Qa时，从上图n2曲线我们可以看出，转速下降为n2时，依然可以保证系统压力Hb，但从功率曲线可以看出此时与n1转速时的功率差ΔP=Pa-P，即节省的电能，ΔH可看作是节省的无用扬程，由此可知，利用变频控制可实现稳压和省电的功能。《变频器应用》变频恒压供水工作模式简介•变频恒压供水通常有两种工作模式：1.变频泵固定工作模式：投入：当用水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；当用水量增大时，变频泵的转速上升，当变频泵转速上升到工频转速，而用水量进一步增大，由变频供水控制器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。退出：当用水量下降，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（水力的或电流的冲击）。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。《变频器应用》变频恒压供水工作模式简介2.变频循环软启动工作模式投入：在这种供水模式中，当供水流量小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。随着用水流量继续增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。退出：当用水流量减小，各并联工频泵按次序关泵退出，并且泵退出的顺序按先投入先关泵退出的原则由变频控制器单板计算机控制。《变频器应用》PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制算法可以通过计算机软件编制，由于软件系统的灵活性，还可以进行修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适应性。PID调节是：Proportional(比例)，Integral（积分）,Differential（微分）PID控制的基本原理与在恒压供水中的应用《变频器应用》PID算法：在连续控制系统中采用的PID控制规律为])()(1)([)(dttdeTdtteTteKtPDIPP(t)——控制量Kp——比例增益e(t)——系统的控制偏差Ti——积分时间常数Td——微分时间常数《变频器应用》MPID算法速度反馈PWM驱动+-速度设定速度差《变频器应用》恒压供水系统的构成采用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成控制系统.变频恒压供水控制系统框图《变频器应用》•由图可知，变频器有两个控制信号：目标信号和反馈信号。•（1）目标信号XT。即给定VRF上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可以由键盘直接给定，而不必通过外接电路来给定。•（2）反馈信号XF。是压力变送器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。《变频器应用》PID调节原理方框图下图所示为变频恒压供水系统的控制框图。其控制原理是由压力传感器测得供水管网的实际压力，信号比较结果经D/A转换后控制变频器的输出频率，进而控制水泵电动机的转速以达到恒压的目的。《变频器应用》单泵恒压供水系统组成《变频器应用》变频器有两个控制信号：1）给定信号XT。给定信号的大小除了和所要求的压力的控制目标有关外，还和压力传感器SP的量程有关。假设用户要求的供水压力为0.3MPa，压力传感器SP的量程为0～1MPa，则给定值应设定为30％。2）反馈信号XF是压力传感器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。《变频器应用》控制方案的确定根据设计要求可确定控制方案为：通用变频器+PLC(包括PID)+压力传感器变频恒压控制原理图项目实施《变频器应用》恒压供水系统流程项目实施《变频器应用》恒压供水系统组成(1)执行机构三台大功率主水泵、一台小功率辅助水泵(2)信息检测机构压力传感器、液位传感器(3)控制机构PLC(含PID)、变频器(4)报警装置项目实施《变频器应用》主电路项目实施《变频器应用》控制电路SA为手动/自动转换开关。SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1～SB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个触点信号，由于PLC为4个输出占为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Y000～Y005及Y010～Y015为PLC的输出继电器的触点。项目实施《变频器应用》恒压供水控制系统程序中所使用的PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能D100目标值T37工频泵增泵滤波时间控制D102测定值T38工频泵减泵滤波时间控制D110采样时间T39工频/变频转换逻辑控制D111动作方向M10故障结束脉冲信号D112输入滤波常数M11泵变频启动脉冲D113比例增益M12减泵脉冲D114积分时间M13倒泵变频启动脉冲D115微分增益M14复位当前变频泵运行脉冲D116微分时间M15当前泵工频运行启动脉冲D150变频运行频率下限值M16新泵变频启动脉冲D160生活供水变频运行频率上限值M20泵工频/变频转换逻辑控制D162消防供水变频运行频率上限值M21泵工频/变频转换逻辑控制D180PI调节结果存储单元M22泵工频/变频转换逻辑控制D182变频工作泵的泵号M30故障信号汇总D184工频运行泵的总台数M31水池水位下限故障逻辑D190倒泵时间存储器M32水池水位下限故障消铃逻辑T33工频/变频转换逻辑控制M33变频器故障消铃逻辑T34工频/变频转换逻辑控制M34火灾消铃逻辑项目实施《变频器应用》如上可知，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。选用三菱FX2N-32MR一台、加上一台模拟量扩展模块FX2N-4AD、一台模拟量扩展模块FX2N-2DA构成系统。整个PLC系统的配置如下图所示。主机单元FX2N-32MR模拟量输入模块FX2N-4AD模拟量输出模块FX2N-2DAPLC系统组成恒压供水控制系统PLC系统选型项目实施《变频器应用》系统的电气控制总框图《变频器应用》水泵机组的选型水泵机组的选型一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。根据要求，采用由上海熊猫机械（集团）有限公司生产的3台55kw的150SFL160-20X4型主水泵机组。其他主要元器件的选型《变频器应用》PLC的选型PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。根据要求选择三菱FX2N-32MR型PLC。《变频器应用》变频器的选型变频器是根据其控制的电机的功率选择的，这里根据要求及便与PLC通信选择如下变频器：三菱FR-A540-55K型变频器,功率为55Kw。《变频器应用》压力传感器的选型压力传感器是用来采集水压而构成闭环控制系统必不可少的一环，根据要求选:YTZ-150电阻远传压力表和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0~1Mpa，精度1.0；数显仪输出一路4~20mA电流信号给PLC的扩展模块。《变频器应用》液位传感器的选择液位传感器是控制水池水位，防止电机空转。据要求可选:浮球式液位计《变频器应用》恒压供水控制系统PLC及扩展模块外围接线图火灾时，火灾信号SA1被触动，X000为1。水位上下限信号分别对应为X001、X002，它们被水淹没时为0，露出时为1。项目实施《变频器应用》PLC程序设计程序包括三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成；定时中断程序用来实