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变频器供水系统(单泵)的应用

* 发表时间 :2016-01-14 15:49:36 * 浏览 :

一种变频恒压供水是这样的:当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时,由一台变频泵调速恒压供水,当用水量增大时,变频泵的转速自动上升;当变频泵的转速上升到工频转速时,为使流量进一步增大,由PLC自动启动一台工频泵投入,与变频泵并联供水。该工频泵提供的流量是恒定的。其余各并联工频泵按相同的原理投入。反之,当用水量下降时,变频调速泵的转速下降(变频器供电频率下降),当频率下降到一定下限时,PLC发出一个指令,自动关闭一台工频泵,使之退出并联供水。为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击(水力或电流的冲击),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。在退出时,变频泵的转速应自动上升,然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。

另一种变频供水模式是当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时,由变频器控制该泵自动调速供水,当用水量增大时,该泵的转速增高。当该泵的转速升高到工频转速时,由PLC把该水泵切换到工频供电。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随着用水量增大,采用先起先停的工作模式,其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入;当用水量减小时,各并联工频泵有PLC控制并按按先投入先关泵的顺序退出。

由上述可见,变频恒压供水通常有两种工作方式,一是变频固定方式,二是变频循环软启动工作方式。

在变频泵固定方式中,各并联水泵是按工频方式自动投入或退出的,因为变频泵固定不变,当用水量变化时,变频泵始终处于运行状态,因此变频泵的运行时间最长。而变频循环软启动方式变频泵可以自动轮换,使各并联泵磨损均衡,具有较多优势,随意选择变频循环软启动方式作为本设计的变频恒压供水模式。


1.2恒压供水系统特点


  1.节电:优化的节能控制软件,使水泵实现最大限度地节能运行;

  2.节水:根据实际用水情况设定管网压力,自动控制水泵出水量,减少了水的跑、漏现象;

  3.运行可靠:由变频器实现泵的软起动,使水泵实现由工频到变频的无冲击切换,防止管网冲击、避免管网压力超限,管道破裂。

  4.联网功能:采用全中文工控组态软件,实时监控各个站点,如电机的电压、电流工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量,累积每台泵的出水量,同时提供各种形式的打印报表,以便分析统计。

  5.控制灵活:分段供水,定时供水,手动选择工作方式。

  6.自我保护功能完善:如某台泵出现故障,主动向上位机发出报警信息,同时启动备用泵,以维持供水平衡。万一自控系统出现故障,用户可以直接操作手动系统,以保护供水。


1.3 恒压供水设备的主要应用场合


1.高层建筑,城乡居民小区,企事业等生活用水。

2.各类工业需要恒压控制的用水,冷却水循环,热力网水循环,锅炉补水等。

3.中央空调系统。

4.自来水厂增压系统。

5.农田灌溉,污水处理,人造喷泉。

6.各种流体恒压控制系统。











2  系统的总体设计方案


2.1  系统的设计方案


2.1.1  系统控制要求  


控制要求:

(1)工艺参数:  水泵流量:295 m3/h  

               水泵出口压力: 0.08Mpa

(2)水泵参数:型号:125H-13

额定流量:793 m3/h

扬程:32.3 m

功率:80.3 KW

额定转速:1450 r/min

配用电机功率:100KW

(3)电动机参数:型号:JD-L-39-4

                功率:100KW

                额定频率:50Hz

                额定电压:380VAC;

                额定转速:1470 r/min

                额定电流:188.2 A

(4)水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。

(5)变频器采用远方控制方式。

(6)变频器的频率由4—20mA电流信号控制。

(7)变频器的运行状态指示(如运行、停止、过流、低压等)。

(8)变频器的报警处理。


2.1.2  系统设计要求


(1)根据变频器恒压供水系统控制要求,选择变频器型号。

(2)选择其他电器设备型号。

(3)变频器恒压供水系统的电气控制线路的设计(包括主回路和控制回路)。

(4)电气图按A4大小设计(CAD画图)。

(5)电气图形符号和文字符号要符合国家最新标准。

(6)变频器参数设置。


2.2  供水系统基本特性

供水系统的基本特性是水泵在某一转速下,扬程H与流量Q之间的关系曲线F (Q),前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q之间的关系。由图2.1的扬程特性表明,流量Q越大,扬程H越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下,流量Q的大小主要取决于用户的用水情况。

管阻特性是以水泵的转速不变为前提,阀门在某一开度下,扬程H与供水流量Q之间的关系H=F(Q。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知,在同一阀门开度下,扬程H越大,流量Q也越大,流量Q的大小反映了系统的供水能力。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的平衡工作点,如图2.1中N点。在这一点,用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态,供水系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时,扬程HN稳定,供水系统的压力也保持恒定

图2.1 供水系统的基本特性




2.3  控制方案


供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值,这种恒压供水技术称为变量恒压供水,即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。系统具有控制水泵出口总管压力恒定、流量供水功能,系统通过安装在出水总管上的压力传感器,实时将压力、流量非电量信号转换为电信号,输入至可编程控制器(PLC)的输入模块,信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算,得出最佳的运行工况参数,由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值,控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况,并实现对水泵的调节控制。

2.2 恒压供水系统的工作原理图


2.4   恒压供水的变频控制原理

用变频调速来实现恒压供水,与用调节阀门来实现恒压供水相比,节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是:
  1)起动平衡,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;
  2)由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等的使用寿命;
  3)可以消除起动和停机时的水锤效应;
一般地说,当由一台变频器控制一台电动机时,只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时,原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时,可考虑适当减小变频器的容量,但应注意留有足够的容量。
虽然水泵在低速运行时,电动机的工作电流较小。但是,当用户的用水量变化频繁时,电动机将处于频繁的升、降速状态,而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流,导致电动机过热。因此,电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升,变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的,所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。
在主要功能预置方面,最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下,升、降速时间应尽量设定得短一些,以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。为了全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制,更加安全可靠地实现恒压供水,我们使用PLC进行PID运算和监控。PID闭环反馈控制原理如图2.3所示:






图2.3 闭环控制原理图







3  系统硬件设计

3.1 PLC的工作原理及选择

3.1.1PLC的简介

PLC是以微机控制技术为基础,通过编程,可以执行诸如逻辑判断,顺序控以时,计数,运算等功能,并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。

与传统的继电器控制盘相比,PLC控制系统体积小,可靠性高;更易使用和维护,且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能,又具有向中央数据采集系统传递信息的能力;通过接插件,所有输入端点能直接和工业现场的开关,接点直接相连,所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。它的发展大致经历了三个发展时期。

1.形成期(1970-1974年)早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑处理芯片(CPU),采用机器语言或汇编语言编程,仅有逻辑控制指令,控制点少,功能简单,并没有获得广泛重视。

2.成熟期(1974-1978年)随着单电源的8位处理器的出现,在小型化、高可靠性多功能及价格等方面,PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。PLC开始具有了多个CPU,设置了定时器、计算器并具有了算术运算功能。

图3.1 PLC结构示意图


3.加速发展期(1978年以来)从70年代末到80年代,PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。一方面研制出了高性能不同规模的PLC控制系统,开发了多种智能I/O模块,充分吸收了计算机和通讯技术,实现了分布式分级控制的PLC网络系统。另一方面也逐一生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC,对PLC普及应用起了重要推动作用。PLC的典型硬件系统构成见图3.1。


3.1.2 PLC的选择


可编程控制器(programmable logical controller,简称PLC)已经越来越多地应用于工业控制系统中,并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以,对PLC的正确选择是非常重要的。

1.工作量

这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初,就应该对控制点数(数字量及模拟量)有一个准确的统计,这往往是选择PLC的首要条件,一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。

(本设计中开关量16个,控制量6个,1个模拟量输出,3个模拟量输入)

2.工作环境

工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来,就要求自控系统能够适应复杂的环境,诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等,各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。(该设计环境正常,故不用特殊型号)

3.通信网络

现在PLC已不是简单的现场控制,PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。(故尽量选取比较常用的品牌)

4.编程

程序是整个自动控制系统的“心脏”,程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买,并且价格不菲,这一点也需考虑在内(要求有良好的编程软件)。

5.可延性

这里包括三个方面含义:

(1)产品寿命。大致可以保证所选择的PLC的使用年限,尽量购买生产日期较近的产品

2产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容,这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。

3产品的更新周期。当某一种型号PLC(或PLC模块)被淘汰后,生产厂家是否能够保证有足够的备品(或备件)。这时应考虑选择当时比较新型的PLC。

6.性价比

由上面的的挑选规范,我挑选西门子公司的S7-200 CPU226作为本系统采用的PLC,它的具体性能如下。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点,更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统

3.2 变频调速系统原理及选择

3.2.1 变频调速系统简介


在变频器没有出现以前,调速系统一般采用直流调速图,但是由于结构上的原因,直流电动机存在着很多缺点(诸如需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命短,机构复杂,难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等),所以人们一直在寻找交流调速系统。而变频器的出现刚好解决了这个问题。与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点,如节能,容易实现对现有电动机的调速控制,可以实现大范围内的高效连续调速控制,容易实现电动机的正反转切换,可以进行高频度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动,可以适应各种工作环境,可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制,电源功率因数大,所需电源容量小,可以组成高性能的控制系统等等。特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说,通过变频器进行调速控制可代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制,所以节能效果非常明显。


变频调速的原理非常简单,由于异步电动机的转速为

式中n为电动机转速,r/min;f为电源频率,Hz;p为异步电动机磁极个数;s为转差。所以,理论上说,只要改变f就能改变电机转速n。


3.2.2 变频调速控制方式


常见的变频调速模式有两种,一种是开环控制,另一种是速度反馈闭环控制,如图3.2所示。本系统根据恒压的控制要求,采用的是PID调节方式(内含在变频器中) 的闭环控制。

图3.2 变频调速系统的控制方式


3.2.3 变频器的输入输出电路


本系统中变频器的输入信号有两种,一种是控制信号,它包括PLC输给的变频器FWD信号BX信号和VI(12)电压信号(0-5V),FWD信号BX信号由PLC输出,控制变频器的工作开关;VI(12)控制变频器频率。另一种是输入电源信号,本系统采用的三相380V的交流电源,三相电流输入连接在端子L1/R, L2/S, L3/T上。采用三相输入的话,则用主电路的电源端子L1/R, L2/S, L3/T通过线路保护用断电器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源,不需考虑连接相序。如果有条件的话,还可以在电源电路中串入一个电磁接触器,这样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电源和防止故障扩大,以保证安全。尽量不要用主电路电源ON/OFF的方法控制变频器的停止和运行,应该用控制电路端子FWD、BX。

变频器的输出信号也有两种,一是送PLC的超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号,另一是送水泵的变频器输出电源信号。送PLC的超压、欠压信号由变频器的Y1, Y2端子送出,Y1的内部功能设定选为频率检测(FDT)功能,幅值为50Hz,滞后值为0.5Hz 。Y2的内部功能设定选为0速度输出功能,变频器输出频率为0Hz时输出ON信号。

图3.3 变频器的I/O端点连接

送PLC的变频器故障信号我们选择从Y3输出,Y3的内部功能设定选择为报警功能,变频器发生指定的故障时输出信号。变频器的输出电源接接触器,它给所有的工频回路的接触器都提供电源信号,但是具体的哪一台接触器接通由PLC控制。变频器的输出端子(U, V, W)按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。如果电机旋转方向不对,则说明连接相序有错,则改变U、V, W中的任意两相的接线。变频器和电动机(水泵)间配线很长时,由于线间分布电容产生较大的高频电流,可能造成变频器过电流跳闸.另外,漏电流增加,电流值指示精度变差。对于本系统中的变频器,变频器和电动机(水泵)之间的距离最好小于50米,如果配线很长时,则必须连接输出侧滤波器选件(OFL滤波器)。接线时还有一点需要注意的是,为了安全和减少噪声,变频器的接地端子G必须良好接地。为了防止电击和火警事故,电气设备的金属外壳和框架均应按照国家电气规程要求接地。接地线要粗而短,变频器系统应连接专用接地极,及不要和别的系统串联接地或共同接地(具体接法见图3.3,在最后的程序中,因本人能力有限,故将报警装置去除,在实际应用中应当加入)。

采用变频器驱动异步电动机调速。在异步电动机确定后,通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器,或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来选择变频器。当运行方式不同时,变频器容量的计算方式和选择方法不同,变频器应满足的条件也不一样。选择变频器容量时,变频器的额定电流是一个关键量,变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。

该系统用一台变频器使多台电机并联运转,对于一电机开始起动后,再追加投入其他电机起动的场合,此时变频器的电压、频率已经上升,追加投入的电机将产生大的起动电流,因此,变频器容量与同时起动时相比需要大些。

3.3  型号选择

3.3.1  变频器的型号选择

根据电机的选择,选用110kw的变频器来拖动100kw的电机,这样可以大大的降低故障的发生率,延长设备的使用寿命

西门子MM430是一款专门为风机和水泵设计的变频器,具有丰富的软件设置参数,可以扩展实现多种功能,能够适应各种复杂工况下的需要。通过对MM430PID参数设定,可以在不增加任何外在设备的条件下,实现供水压力的恒定,提高供水质量,同时减少能量损耗。以往的恒压供水设备,往往采用带有模入/模出的可编程控制器或PID调节器,PID算法编程难度大,设备成本高,调试困难。MM430系列变频器内置的PID功能,可以进行精确的PID控制,不仅节省了安装调试时间,还有效的降低了设备成本,是进行此类控制的首选

本系统中,采用MciorMaster430系列变频器,型号为6SE6430-2UD41-3FB0,额定电流为205A,额定功率110kW。MicroMaster430系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家,功率范围7.5kW至250Kw。它按照专用要求设计,并使用内部功能互联(BiCo)技术,具有高度可靠性和灵活性,牢固的EMC(电磁兼容性)设计;控制软件可以实现专用功能:多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。

变频器运行过程中,反馈回来的信号与主设定值进行比较,如果反馈值小于主设定值时,变频器的频率会自动提升,以提高目标压力;如果反馈值大于主设定值时,变频器的频率会自动降低,以降低目标压力。



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