自动恒压（共5篇）
自动恒压 篇1
0引言
恒压供水系统具有节能、可靠及无人值守的优点,因此在供水系统中获得了广泛的应用。国内针对恒压供水的研究很多,如文献[1]研究采用PLC与变频器串行通信构成恒压供水系统;文献[2]采用可编程序控制器PLC和交流电机变频调速技术,研制出全自动恒压供水系统;文献[3]基于PLC、变频器和计算机技术,设计将BP神经网络控制策略寓于变频控制之中,实现PID参数的在线调整。
本文设计恒压变频供水系统,采用SIEMENS PLC控制方案,以变频方式及压力闭环实现控制。程序设定目标压力,将A/D采集的反馈压力值与其比较,经数学运算后,通过D/A口输入到变频器模拟控制口,达到闭环调节转速的目的,实现恒压供水控制。
1系统主要功能及原理
1.1 变频恒压供水原理
交流转速调节可表示为:
其中:n为电机额定转速;f1为电源频率;p为电机极对数,s为电机转差率。改变频率f1就可以调节同步转速。
根据流体力学,流量与转速及功率的物理联系为:
其中:Q为管网流量;H为水泵扬程;P为电机实际功率。
1.2 系统实现功能
系统实现功能为:①系统可实现一拖三控制模式;②采用压力传感器检测系统压力信号,其信号制式为4 mA～20 mA,该方式可识别断线状态及零信号状态;③采用投入式液位传感器检测水位状态信息,其信号制式为4 mA～20 mA,该方式可识别断线状态及零信号状态;④系统能实时显示压力、液位,变频频率信息可通过液晶窗口显示;⑤为方便操作,系统按手动、自动及检修方式工作。
1.3 控制框图
系统控制原理如图1所示,阐明了其整体控制结构。
2系统设计
2.1 工艺流程
2.1.1 压力上升工艺
将泵按A-B-C排序,初期首先A泵进入闭环调速模式,当系统压力小于设定值时,控制器控制变频器调速,压力逐渐升高,若频率达到工频时仍未实现预定压力,则需继续投入备用泵,此时PLC控制变频器与A泵断开,经1 s延时,A泵切换为工频运行,B泵切换到变频方式,压力按此规律运行若仍未实现预期压力,则C泵也需投入。
2.1.2 压力下降工艺
按照C-B-A顺序实现压力下降闭环控制。当供水压力大于设定压力值时,C泵变频器频率降低,转速下降,当低至20 Hz时仍高于额定压力,则停止C泵,将B泵切换为变频状态,按此规律继续完成控制。
2.2 系统配置
2.2.1 主电路
A、B、C三相交流电经主开关进入主电路,QF1为变频器电源控制开关,QF2为软启动器电源控制开关,QF3为1号泵工频电源控制开关,QF4为2号泵工频电源控制开关,QF5为3号泵工频电源控制开关。
2.2.2 变频器柜指示灯
变频器柜指示灯编号及其功能见表1。
2.2.3 PLC开关量输入配置
PLC开关量输入配置见表2。
2.2.4 PLC开关量输出配置
PLC开关量输出配置见表3。
2.2.5 PLC模拟量输入输出配置
EM231模拟量模块共有4路输入(选用前3路):RA与A+连接,4 mA～20 mA一号泵电流信号输入到A+与A-;RB与B+连接,4 mA～20 mA二号泵电流信号输入到B+与B-;RC与C+连接,4 mA～20 mA三号泵电流信号输入到C+与C-。EM235模拟量模块共有4路输入(选用前2路),分别采集压力与液位信号,液位与压力变送器均为两线制输出。EM235模拟量模块共有1路输出,选择电流输出,其M0与I0输出连接到变频器COM与AI2端。
2.2.6 电流变送器
HBA-YSAD系列电流变送器是应用电磁感应原理研制而成的一种新型电流变送器,初级与次级之间高度绝缘,用于交流电流的测量。其为四线制工作方式:L、0连接开关电源,M、0输出4 mA～20 mA电流。
2.2.7 压力变送器与液位变送器
PT401型压力变送器具有结构紧凑、坚固、重量轻、便于安装和使用等特点,适用于全天候的恶劣危险环境和各类腐蚀性介质。其与PLC的连接见图2。
PT311型静压式液位变送器选用进口带防腐膜片的敏感组件,将芯体装入一个不锈钢或聚四氟乙烯壳体内,顶部钢帽既能保护传感器膜片,又能使液体顺畅地接触到膜片;该产品测量准确、稳定性好,并具有良好的密封和防腐性能。其与PLC的连接见图3。
3结论
本文设计的恒压变频供水系统代替了传统水塔水箱的高位供水,节能效果显著,实现了无人化工作,自动化程度高。同时避免了传统方式的手工频繁切换,延长了设备的使用寿命。系统设置了报警功能,发生故障时可实现远程报警。
参考文献
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恒压供水自动控制系统的研究 篇2
自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平经历了一次飞跃。恒压供水调速系统可实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,是当今最先进合理的节能型供水系统。
1 控制系统的组成及工作原理
供水系统由主供水回路、储水池、水泵组成,采用PLC实现对控制系统的调节。本控制系统是一个2台泵运行的恒压供水系统。考虑到实际应用中的性价比,这2台泵既可作变频泵,又可作定速泵。可编程控制器选择S7-200系列PLC,变频器选择LG-iG5系列,实现电动机的调速运行。
控制系统主要由PLC、变频器、继电器、压力传感器、EM235模拟量输入输出模块等组成,其系统原理图见图1。
系统自动状态工作时,PLC首先利用变频器软启动一台加压泵,此时安装在管道上的传感器将实测的管道压力反馈给变频器,与预先通过变频器面板设定的给定压力进行比较,通过变频器内部的PID运算,调节变频器输出频率。在用水量较大时,变频器输出频率接近工频而管网压力仍达不到压力设定值时,PLC将当前工作的变频泵由变频切换到工频下工作,并关断变频器,再将变频器切换到另一台泵,由变频器软启动该泵,实现一台工频一台变频双泵供水。随着用水量的减小,变频器输出频率下降,当降至频率下限而压力仍能达到压力设定值时,PLC将工频工作泵切除,只由剩下的单泵变频供水。系统无论单泵变频工作,还是双泵一台工频一台变频工作,始终控制管网压力与给定压力值保持一致,实现恒压变量供水。
2 系统的结构设计
系统控制的主电路如图2所示,其中P1、P2为2台水泵,每台泵既可控制为变频运行,又可控制为定速运行,这种转换可通过KM1、KM2、KM3、KM4的通断来实现。P1、P2这2台泵均由0.75 kW的电机拖动。变频器选用LG公司生产的iG5系列变频器,PLC选用西门子S7-200系列可编程序控制器,交流接触器选用德力西集团有限公司生产的CJXZ-1810交流接触器,压力传感器选用航天科技集团公司生产的AK-4型压力传感器,具有过压、欠压、过载、CPU异常及输出短路等多种保护功能。
2.1 变频器的控制
本系统中选用LG-iG5系列变频器作为系统的变频调速装置。LG-iG5系列变频器适用于0.37 kW～4.0 kW以内的三相电动机的交流调速,它控制灵活,结构紧凑,易于安装。该变频器基本配置带有PID功能,通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值,压力传感器反馈来的压力信号接至变频器的辅助输入端,作为压力反馈,变频器根据压力给定和实测压力调节输出频率,改变水泵转速,控制管网压力保持在给定压力值上。图3为变频器的基本配线图。变频器的极限输出频率通过面板可以设定;变频器面板上有故障复位按键,轻故障用复位按键复位,可重新启动变频器;FX短接,并连接到PLC的输出点上,由PLC控制变频器的运行与关断;输出端并联2个接触器分别接P1、P2泵电机,变频器可分别驱动2台泵,泵电机还通过另外2个接触器并联到工频电源上,这4个接触器线包连接到PLC的4个输出点上,由PLC控制其工频、变频切换工作。
2.2 PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容,它根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:①理论计算整定法:它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数,这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改;②工程整定方法:它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。3种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
2.3 PLC程序编辑
S7-200 CPU的控制程序由主程序、子程序、中断程序组成。为了能使系统稳定、高效、安全、节能地运行,由主程序完成电机在变频、工频下交替工作,因此,在软件设计中要对PLC的输出点KM1与KM2、KM1与KM3、KM2与KM4进行互锁,即KM1与KM2不能同时有输出信号,KM1与KM3、KM2与KM4也是一样,否则,就会发生变频器同时拖动2台泵,或者工频电源直接串入变频器输出端U、V、W而损坏变频器等严重事故。开启电机前,须先接通接触器,启动变频器;断开电机前,须先停止变频器,待变频器电流减为0时,才允许断开接触器。这样使系统运行更安全可靠。
本系统只占用8个输入口,5个输出口。电机的逻辑控制放在主程序,系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成,利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。系统中只用比例(P)和积分(I)控制,其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定,但需要进一步调试以确定最优控制参数。
3 结论
在供水系统中采用变频调速运行方式,系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵,使供水系统管道中的压力保持在给定值,以求最大限度地节能、节水、节地、节资,并使系统处于可靠运行状态,实现恒压供水;减泵时采用“先启先停”的切换方式,相对于“先启后停”方式,更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命;采用压力闭环控制,系统用水量任何变化均能使供水管道的服务压力保持给定,大大提高了供水品质;变频器故障后仍能保障不间断供水,同时实现故障消除后自启动,具有一定的先进性。
摘要：介绍了一种基于PLC控制的变频恒压供水系统,整个供水系统的运行采用闭环变频恒压供水控制。该系统具有简单实用、成本低廉、可靠性好、便于维护等特点,可用于工业运行。
自动恒压 篇3
恒压供水变频调速系统的优越性能,已成为设计的主流。其主要特点是:
1.占地面积小,安全可靠,投入成本并不高,而运行效率很高。由于一天内平均转速下降,轴上的平均扭矩和磨损减小,因此水泵的寿命大大提高[1]。
2.变频调速能对水泵实现软起动和软停车,由此可消除水锤效应,减少对管网的冲击。自动化程度高。
2系统概述
(一)传统的供水方式:
1. 水箱/水塔供水-重力供水这种方式供水压力比例恒定,且有储水,但它是由位置高度形成的压力来供水的,为此需建造水塔或将水箱置于建筑物屋顶上。
2. 气压供水。这种供水方式一般是在地下室或空旷处加压将水送到管网中。优点是建设快,可通过改变压力来满足不断增长的供水需求。缺点是建压力罐其体积和投资大,还需设置空压机充气,消耗电能大,运行费用高[2]。
(二)恒压供水变频调速系统:
其控制框如图1所示。由变频器向电机供电,由电机拖动水泵,通过压力传感器把在出口水压检测点测得的压力(反映用水量大小)反馈信号与压力给定信号经比较送入调节器,再将调节器的输出信号作为变频器的频率给定信号,由此来根据用水需求量自动调节供水量的大小。
(三)系统控制要求:
本系统采用三台同容量的水泵供水,具体的控制要求是:
1. 用水量少时由变频器驱动一套电机泵组,且根据用水量自动调节泵速,另两套电机泵组停车。
2. 当此泵速达到最高仍不能满足用水需求时,则起动第二套电机泵组并由变频器供电,而第一套自动切换由工频电网直接供电。
3. 两套电机泵组供水时,若第二套泵速最低时仍大于用水需求,则自动切除第一套泵组;若第二套泵速最高时仍小于用水需求,则自动起动第三套电机泵组并由变频器供电,而第二套自动切换由工频电网直接供电,第一套仍由工频电网直接供电。
4. 三套电机泵组供水时,若第三套泵速最低时仍大于用水需求,则自动切除第一套泵组,第二套仍由工频电网直接供电。同理,以次减之。之后周而复始,实现自动循环切换,因此各台泵的平均使用寿命得到提高[3]。
3 方案选择
多泵并联变频恒压工作模式通常是:当用水流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;当用水流量增大,变频泵的转速自动上升;当变频泵的转速上升到工频转速,为用水流量进一步增大,由变频供水控制器控制,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。在多泵并联变频恒压变量的供水情况下,当用水流量下降,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退出并联供水。为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击。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。上述频率自动上升,下降由供水变频控制器控制[4]。
另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中,当供水流量少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。随用水流量增大,其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。当用水流量减少,各并联工频泵按次序关泵退出,并联泵退出的顺序按先投入先关泵退出的原则由恒压控制系统实现。
4 系统工作原理
(一)系统结构
变频恒压供水系统工作原理如图2;它主要有PLC、变频器、压力传感器、动力及控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器,把出口压力信号变成4~20m A标准信号送入变频器内置的PID调节器,经PID运算与给定压力参数进行比较,得到4~20m A参数,4~20m A信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量,根据用水量的不同,变频器调节水泵的转速不同、工作频率也就不同,在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测,当用水量大时,管路压力减小,变频器频率迅速上升到上限频率,此时,变频器输出一个上限频率到达开关信号给PLC;当用水处于低峰时,管路压力增大,变频器输出频率下降并达到下限频率,变频器也输出一个下限频率到达开关信号给PLC;两个信号不会同时产生。系统始终保持每个时刻都有变频泵在运行,自动调节管路内的压力,当产生任何中一台电机的变频转速,使系统管网的工作压力始终稳定,进而达到恒压供水的目的。变频器输出的信号即反馈给PLC,一个信号时,信号即反馈给PLC,PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组,以此协调投入工作的水泵电机台数,并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速,使系统管网的工作压力始终稳定,进而达到恒压供水的目的[5]。
(二)工作原理
图3中Q0为总电源进线断路器、Q01为变频器的电源进线断路器、Q1、Q2、Q3为1#、2#、3#泵工频电源进线断路器、FU为电压转换开关的熔断器、SV为电压转换开关、PV为电压表.KM1、KM2、KM3为泵1#、2#、3#变频接触器。
回路设计:变频器的接线见图3,变频器10,11端子是模拟量输入端口。5,9端子是起动停止信号,9号端子是变频器自带的+24V电源,当5号端子有正电源时变频器允许起动断开时停止运行,因此在5,9号端子连线之间串接了一副继电器辅助触点KA1,当辅助触点闭合时,变频器可起动,断开时变频器停止。通过控制K A 1的闭合和断开,在泵切换时进行断开变频器的控制。21端子输出下限频率信号到PLC输入端,24号端子输出上限频率信号到PLC输入端。在变频器外部接线图中可知见图4,在变频器控制的一路,因变频器自带过流和过热保护,所以没有设过热保护,在工频控制一路我们设置了热继电器,在每个泵的变频器控制和工频控制的两路我们都通过PLC输出控制每个接触器线圈来互相自锁。接触器采用DC24V线圈接触器。
开始工作时,1#泵变频启动,泵的转速上升,如变频器的频率达到50HZ而此时水压还未达到设定值,变频器检测到上限频率并输出一个开关信号给PLC,上限频率信号保持5分钟时间后,1#泵迅速切换至工频运行,同时解除变频器运行信号1秒,然后切换到2#泵由变频器驱动,若此时压力上升,变频器输出下限信号,系统自动切断1#工频泵,由2#变频泵单独运行。若此时压力下降未达到设定值,变频器输出50赫兹上限运行信号,则2#泵切换至工频,3#泵变频启动。在运行中始终保持一台泵变频运行。当在1#泵工频运行,2#泵变频运行时,管路压力未达到设定值时,变频器输出一个上限频率信号至PLC,由PLC控制切除2#泵变频运行,此时由2#泵工频运行、3#泵变频运行,同时保持1#泵工频运行。如果此时压力上升,变频器频率达到下限频率,同样输出下限信号给PLC,PLC解除1#工频泵,由2#工频泵和3#泵变频运行来维持管网压力。当压力上升,变频器频率下降,输出下限频率信号后,2#工频泵切断,此时由3#泵单独运行来维持管路压力。此时如管道压力下降,变频器达到上限频率,并输出上限压力信号,3#变频泵转换为工频运行,1#泵变频启动,若压力仍不满足则1#变切换为1#工,2#泵变频运行,并保持3#泵工频运行。三台泵同时工作以保证供水要求。见图4.5这样的切换过程有效地减少泵的频繁起停,同时在实际管网对水压波动做出反应之前,由变频器迅速调节,使水压平稳过渡,从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。
5 PLC程序设计
变频泵循环运行优点很多,但是实现起来关键问题是变频器输出切换问题。将水泵电动机从变频器供电切换到工频电网供电,将可能遇到很大的电流冲击考虑到变频器每次切换的时会产生的冲击,如表1所示,以第1台电机为例在K M1断开以后,定子绕组是开路的,不可能有励磁电流。而转子绕组是自成回路的,其电流有一个逐渐衰减的过程,它将产生一个逐渐衰减的直流磁场,而定子三相绕组将和此旋转的直流磁场相互切割,从而产生出相应的感应电动势,即电动机在切断电源以后,存在着一个处于非同步发电状态的电磁过渡过程。非同步发电状态不同于电动机的再生发电状态,电动机的再生发电状态是指定子绕组必须和电源相接,以得到励磁电流。而此这时是电机已经脱离电源。
我们在应用中是在水泵脱离变频器后,等待一段时间待电动机的反电动势降下来以后再接到工频电源。在切换的时候PLC先发出停止信号,停止变频器运行1 S使变频器降速到零,在起动前段会有下限低的信号,造成不能正常起动,在变频器切换时都有2S钟的信号下限信号隔离的设计。每次切换时都保持下限和上限信号连续保持5分钟后方可切换,以避免因变频频率波动而产生的频繁切换。
6 变频器参数设定(表2)
7 系统各部分的选型
(一)变频器选型:通过电机容量选用变频器,考虑安全和余量。采用西门子型号为:6SE6440-2AD32-2DA1。功率:22KW.MICROMAST
(二)PLC控制系统及选型:该系统采用三菱FX2N-32ET,I/O点数为32点,继电器输出,PLC编程采用三菱PLC专用编程软件SWOPC-FX/WIN-C。
(三)压力传感器选型:压力传感器采用昆山双桥传感器测量技术有限公司.型号:CYG101型(低压力传感器)。量程:0~40~100~400~1000~1600kpa
(四)断路器的选型:通过电机的功率为1 8.5 KW可知,电机额定电流为36.1A一般选取断路器额定电流为电机的额定电流的1.5~2倍为5 4.1 A,所以选取Q1~Q3具体型号:3VL2706-1AE33-0AA0.Q01
(五)接触器和继电器选型:KM1~KM6接触器采用西门子公司的3TF系列接触器,工作电流为90A,具体型号:3TF4722-0XB0.继电器具体型号:3TH4022-0XB0
8 结束语
PLC控制和变频调速恒压供水系统投入使用后,完全能够达到设计要求,高效节能,故障低,调速供水效果突出,用户反映良好。同时减少设备损耗,延长了水泵和电机的使用寿命.提高了社会效益。
参考文献
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自动恒压 篇4
平高集团有限公司 (以下简称平高集团) 座落在河南省平顶山市, 前身是平顶山高压开关厂。经过40多年的创新发展, 现已成为中国高压、超高压及特高压开关等重大装备的研发制造基地之一。
为实现节能减排, 提高企业效益, 平高集团组织实施了大量的技术改造工程, 采用变频调控技术对供水系统的改造就是其中1项。现已取得显著效益。
1 平高集团的供水系统
1.1 水源井基本情况
由于建厂初期市政供水能力不足, 经过水行政主管部门批准并核发《取水许可证》, 平高集团实行自备井供水。自备水源井的情况见表1。
1.2 原供水系统基本构成
平高集团地下管网全长10 km, 建有1座200 m3储水塔。原供水系统采用3台水泵将地下水抽到储水塔后再向用水单位供水, 3台水泵全部采取人工管理, 并利用电接点压力表辅助控制水泵供水压力及水泵的启停。
1.3 原供水系统存在的主要问题
1.3.1 供水压力波动大无法满足生产生活需求
整个供水系统由3个水泵站组成, 由3个值班工分别根据各泵出口压力, 自行决定各井的开停, 水压直接受到值班人员的主观影响, 无法实现最佳开停匹配, 无法达到满足供水压力的需求。
1.3.2 电能浪费多管网承压大
整个供水系统需要24 h不间断供水, 用水量及对供水压力的要求随季节、生产周期、每天工作时段的变化。采用人工调节, 即使值班人员责任心很强, 也很难及时有效地调节。造成高峰时压力不足, 低谷时压力过高, 电机空转。
1.3.3 供水条件复杂管理十分困难
由于水塔容积只有200 m3, 供水量及供水压力受水塔本身限制。同时, 水塔建在生产区正中央, 影响企业整体规划。
生产区和生活区用水采取统一供水系统, 尤其是生活区平房、多层楼房、高层住宅交叉分布, 用水需求情况不同, 供水压力无法在最佳经济区间运行。
居民生活用水由企业供应, 不利于节水意识的培养。多年来居民用水回收率在50%左右, 浪费严重, 且实行低于成本收费, 增加了企业供水系统成本。
2 变频调速技术的发展及节电原理分析
2.1 变频调速供水技术的发展
变频调速恒压供水技术是20世纪80年代后期发展起来的[1]。随着电力技术的发展, 以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备, 其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式以及齐全周到的功能, 使供水系统实现节水、节电、节省人力, 最终达到高效运行的目的[2]。
变频调速恒压供水技术能实现水泵的软启动, 减小水泵启动时的冲击电流, 不仅延长了水泵的使用寿命, 且在调节水泵流量时, 节约了可观的能量。变频调速恒压供水系统实现水泵电动机无级调速, 根据用水需求, 自动调节系统的运行参数, 在用水量发生变化时, 保持水压恒定, 可满足用水要求。
变频调速恒压供水的主要特点是, a) 供水量在短时间内 (几个小时) 的变化可达几倍甚至是10倍;b) 其供水压力随供水流量的变化而变化, 甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力;c) 一般情况下, 其供水流量受消耗量的控制, 其水流量通过供水水泵的输出来提供。
变频调速恒压供水技术, 在短短几年内, 经历了逐步完善的发展过程, 早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。目前, 变频调速恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种的方向发展[4]。
2.2 变频调速节电分析
2.2.1 变频调速电机节电分析
变频调速器将电网中的三相交流先整流成直流电, 再通过逆变器将直流电逆变为电压可调、频率可调的三相交流电去驱动异步电动机, 实现了调速和节电。
三相异步电机转速计算式[4]为
其中, n2为转子转速, r/min;n1为同步转速, p为极对数, f1为电源频率, Hz, s为转差率。
由计算式可知, 调整转速可通过改变电源频率、绕组的极对数或转差率等3种方式实现, 一般p, s不变, 则n2与f1成正比例。
水泵转速是根据每分钟旋转的圈数计算的。铭牌中规定的转速是最大的转数n, 不能任意提高, 降低转速不宜低于50%, 水泵转速改变时, 它和轴功率N的变化关系是,
即变速后轴功率=原轴功率× (变后转速/原转速) , 一般原功率、原转速一定, 设f1降为a%, 则n2下降a%, 因此, 可把计算式改写为,
N2∝ (1-a%) n2∝ (1-a%) f1,
示例:若f1降30%, 则变速后轴功率变为,
即若f1降30%, 消耗功率为额定功率的34.3%, 则节电率为65.7%。
2.2.2 变频调速供水系统节电分析
变频调速供水系统的节电原理见图1[1], 其额定运行时工况点D是泵的特性曲线Nn与管路阻力曲线R1的交点。
传统供水系统利用阀门控制水泵, 如, 需减小用水, 即流量从Qn减小到Q1, 需关小阀门, 使阀门的摩擦阻力变大。即阻力曲线从R1转移到R1', 扬程则从H3升到H4, 运行工况点从D点转移到A点。
变频调速供水利用变频器控制水泵, 阀门不需要有开度变化, 因此, 阻力曲线R1不变。为使流量改变, 只需改变水泵转速。如果把速度从nn降到n1, 特性曲线也从Nn转移到N1。此时, 运行工况点从D点转移到C点, 扬程从H3下降到H2, 流量从Qn减小到Q1。则A点水泵的功耗为PA=kH4Q1/η, C点水泵的功耗为PC=kH2Q1/η, 两者的差值为,
即用阀门控制水泵流量时, 有ΔP功率被浪费, 且这个损耗随着阀门开度的关小而增加。
3 平高集团供水改造方案及可行性分析
3.1 整体供水改造方案
生产区保留自备井供水, 取消水塔, 取消人员值班, 全部采用变频调速技术对3口井进行恒压供水智能控制系统改造。生活区生活用水改造结合平顶山市实施的自来水“一户一表、水表出户”改造工程进行, 改造后居民供水管理、抄表收费及管道维修工作由平顶山市自来水公司负责, 对由于市政供水压力较低, 无法直接供水的局部高层住宅, 加装变频恒压供水设施。
3.2 可行性分析
采取自备井供水符合当地政府有关水资源管理的政策。由于当地供水能力不足, 允许企业在获得取水许可手续后, 继续采用自备水源井自行供水。自备水源井供水有利于降低企业生产成本。
3.2.1 自备水源井供水成本
自备水源井供水成本主要包括向市政府缴纳的污水处理费和水资源费, 用电成本、设备折旧、设备维修、运行管理以及漏失损耗等费用。
平顶山市规定的污水处理费收费标准是按取水量的40%计算的, 收费标准为0.8元/t;地下水资源费收费标准为0.65元/t;平均用电为0.52 kW·h/t水, 电价按0.7元/k W·h, 平均电费为0.364元/t水;运行费用包括值班人员13人, 工资支出26×104元, 平均运行费用为0.132 65元/t水;设备折旧及维修费用平均为5×104元/a, 平均费用为0.025 5元/t水;管网漏失率为10%。综合以上因素企业自备水源井供水综合成本为1.64元/t水。
3.2.2 市政供水成本
市政工业用水价格为2.6元/t, 市政居民生活用水价格为1.85元/t, 主要包括基本水价、公用事业附加费、污水处理费、水资源费等费用。
居民区采用市政直接供水, 符合国家有关居民用水社会化管理及自来水“一户一表、水表出户”改造的政策, 有利于加强管理, 减少企业负担, 支持企业发展。
平高集团自备水源井供水综合成本为1.64元/吨, 如考虑回收低 (50%左右) 以及管理、抄表、维修等费用, 企业居民自供水成本在3.5元/t。由市自来水公司直接管理, 居民生活用水价格仅为1.85元/t, 不需要企业再承担其他费用。同时, 改造后基本不增加居民的负担。
4 平高集团变频调速供水改造实施
4.1 生产区供水系统变频调速技术改造实施
平高集团恒压供水智能控制系统以std总线工控机为中心, 利用变频器对主要水泵的压头进行连续调节, 辅以对其他水泵的开关控制来实现恒压供水。同时, 具备对各种数据进行处理、报警保护、故障处理等功能。具体见图2。
该系统通过2号泵的变频连续调节及1号泵、3号泵的开关控制, 保证系统供水总管的压力稳定。该系统主要功能有, a) 实时检测、控制供水总管的压力 (压力值可以设定) ;b) 实时检测流量及累计总供水量;c) 实时检测电机工作电流及温度;d) 各种参数的瞬时值、变化曲线可由显示屏显示、打印机定时或强制打印;e) 该系统具有断电后资料保护不少于8 h的功能, 来电后能保持所有数据不丢失, 且能继续累计;f) 系统包括独立的自动控制部分和手动控制部分, 具有方便的手动/自动切换功能, 可进行远距离控制和现场控制;系统具有完善的自检和保护功能, 能对水压超限、电机故障等进行声、光报警, 并能自动进行故障处理。
4.2 生活区居民供水改造实施
平高集团有4个居民区3 000户居民, 平均用水10×104t/月, 全部改为市政直接供水。宿舍区有两处因原供水系统水压不足, 采取了无塔供水措施。改为市政供水后, 靠近市政主管道的8层住宅, 由于市政水压较高, 可实现市政直接供水, 取消原无塔供水设施。另一处, 200户的7层居民住宅4楼以下实现市政直接供水, 5层及以上供水压力不足。为不影响整体改造移交, 保证居民用水, 同时减少用电消耗, 平高集团结合供水改造工程对原无塔供水系统进行改造。
中国的变频调速恒压供水设备由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能PID调节器、压力变送器、PLC控制单元等部分组成, 控制系统原理见图3。
5 运行及效果分析
5.1 运行分析
平高集团整个供水系统2005年12月31全部改造完成。通过多年的运行统计分析, 达到了预期目的和设计要求。系统运行可靠, 供水压力稳定, 能够满足生产生活用水要求。
改造后, 正常生产条件下, 典型工作日24 h生产供水压力、取水及用电单耗检测统计结果见表2。从表2可看出, 平高集团最小用水量为18.5 t/h, 出现在3:00到5:00之间;最大用水量为326 t/h, 最高供水量是最低供水量的17.6倍。在供水量出现周期性巨大波动的情况下, 平均供水压力始终稳定在0.2713 MPa左右, 有效保证了生产生活供水。生活区供水情况正常, 没有出现供水不足或压力过大现象。
5.2 实际节电效果分析
5.2.1 生产区节电效果及成本统计分析
通过抄表统计, 生产区供水系统节电情况见表3。
5.2.2 生活区供水节电效果及成本统计分析
生活区供水系统用电节电情况见表4。
通过以上统计分析, 平高集团变频调速供水改造项目实施后, 节电69.14×104k W·h, 折人民币48.398×104元。
5.3 投资效益分析
5.3.1 改造投资分析
平高集团变频调速供水系统改造投资见表5。
5.3.2 投资效益分析
a) 改造后节约电费48.398万元;b) 减少自备水源井值班人员13名, 减少居民用水管理、抄表、收费及维修人员4名。按人均工资2×104元/a计算, 节约运行成本34×104元/a;c) 改造后减少了漏失, 节水价值为56.58×104元/a;3项合计节约138.978×104元/a。
5.3.3 投资回收期分析
投资回收期= (改造总投资/改造后总收益) ×12=11.22 (月)
6 结语
通过平高集团变频调速供水改造及运行统计分析, 可以看出, 采取变频调速供水改造, 投资小, 见效快, 技术成熟, 在解决企业供水压力不稳及降低运行成本的基础上, 取得了很好的节电效果。
摘要：叙述了变频调速供水技术的发展状况、平高集团变频调速供水系统的构成及工作原理, 指出, 平高集团变频调速供水系统以std总线工控机为中心, 以变频器为核心部件, 根据企业用水需求自动控制水泵投入的台数和电机转速, 自动跟踪管网与给定压力的偏差变化进行压力调节, 实现了闭环自动恒压供水。
关键词：变频器,变频调速,恒压供水,节能
参考文献
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自动恒压 篇5
随着对住宅小区和企事业单位供水质量要求的不断提高, 传统的水塔式供水方式和直接水泵加压等供水方式已经不能满足人们生产生活的需要。由于用户用水在高峰和低谷时用水量相差很大, 不利于设备的经济运行, 降低了供水设备尤其是电机的使用寿命, 浪费了大量的电能。随着变频调速技术的不断发展, 恒压变频供水设备开始应用到多层住宅小区及企事业单位的供水, 提高了供水质量, 节约了大量电能。下面以一个住宅小区的变频恒压供水设备为例, 介绍变频调速技术的恒压供水自动控制系统。
2 工程实例
湖南株洲某住宅小区共有住宅楼15幢, 最高为9层, 每幢由两根DN50水管并联供水, 进入小区总管为一根DN100水管。设计流量为40t/h, 需增补扬程20m, 以保证出水压力达到0.31MPa。
3 恒压供水系统的组成及工作原理
小区的恒压供水系统由2台变频电机拖动的水泵机组、1台泵类专用变频器、1台可编程控制器PLC, 再加上电磁阀、压力传感器等组成, 如图1所示。
该系统的工作过程如下:蓄水池隔离市政的自来水网和小区供水系统, 起到一定的缓冲作用。小区供水系统由2台水泵机组加压供水。系统启动时, 变频器控制1台变频电机低转速启动, 通过变频器逐步提高水泵转速, 出水口压力传感器将水压信号反馈给PLC从而调节变频器输出频率, 如果第1台电机传速调节到最高时出水口压力仍然达不到设定值, 则需要增加另一台水泵。增加水泵时, 首先将第1台水泵从变频器供电通过接触器组转换到由电网直接供电, 即由变频转换到工频。然后通过变频器控制第2台变频电机软启动, 逐步增加第2台电机的转速, 直到出水口的水压达到设定值。当用户的用水量较小时, 1台电机就可以满足水压的要求, 用水高峰时, 2台电机同时投入运行。2台电机互为备用, 大大提高了系统的可靠性, 而且在用水低谷时, 还可以对电机进行必要的维护检修。
采用PLC控制的变频调速恒压供水系统有以下优点:
⑴供水质量提高, 水压稳定, 得到了用户的肯定。
⑵操作控制简单。通过PLC和变频器还可实现对系统的过流、过热、过压、短路等保护功能。减轻了设备维护人员的劳动强度, 延长了设备的寿命。
⑶节约资源。变频器的容量小于系统的总容量, 大大降低了电控系统的造价。同时由于采用了变频调速技术, 电能消耗大为减少。
4 恒压供水自动控制系统的设计要点
4.1 启动阶段自动控制系统的设计
系统开始工作时, 压力传感器将水压信号送到PLC控制器, 开始时水压低于设定值, 启动升速程序。把第1台电机接入变频器输出电路, 变频器初始输出频率为35Hz, 电机低转速启动, 控制水泵电机逐渐升速, 同时管网电压上升。当水压达到设定值时, 变频电机在此频率下稳定运行, 进入稳定运行状态, 并保持水压恒定。若变频电机频率达到电网工频时, 水压还未达到设定值, 此时PLC给出信号至接触器组。接触器组将第1台电机切换至工频电网, 同时发出指令使第2台电机接入变频器, 变频器输出频率为35Hz, 第2台水泵启动并调速至水压的设定值, 达到稳定运行状态使水压保持恒定。
4.2 稳定运行状态的自动控制系统设计
进入稳定运行状态后, 控制系统框图如图2所示。
为了防止各种扰动如用水负荷的波动对水压造成的影响, 压力传感器将管网水压信号与给定水压比较后通过PID环节送至变频器, 调节变频器的输出频率从而保持水压的稳定。传统的PID调节器算法为:
关于P值, I值, D值的设定可采用在经验值指导下的测试法, 力争短时间内完成参数设定, 避免对外界和设备本身造成不良影响。设定的依据:增益P值大, 反应快, 有利于减少静态误差 (即供水管网的实际压力与恒压给定值的差值) , 但是P值过大, 系统将产生振荡, 稳定性变坏。积分I值越小振荡作用越强烈, 应适当增大I值, 减少振荡, 使系统更加稳定, 但是积分时间太长又会发生当实际管网水压急剧变化时难以迅速恢复的情况, 系统的动态响应变差。微分D值时间愈短, 微分作用愈弱, 减少D值, 有利于减少调节时间, 克服因积分时间太长而使系统恢复时间过长。P, I, D经验值和参数设定依据, 在测试过程中依照先比例后积分的原则对系统进行在线调试。依据笔者多年的经验, 确定了参数的大致范围:当P参数设定为1.4, I参数设定为20, D参数设定为0.5时, 效果较令人满意。应注意本文给出的仅是参考值, 在PID产生的控制作用中, 某部分的减少往往可由其他部分的增大来补偿, 因此不同的设定参数完全可得到同样令人满意的控制效果。
对于居民小区, 用水高峰集中在早、中、晚3个时段, 而在深夜则用水量处于低谷。改变不同时段的压力给定值, 则更能起到节能的作用。每个时段内的压力给定值是根据日用水量变化情况设定的。在PLC控制程序中根据时段的不同, 设定不同压力值, 在深夜, 给定值小些;在用水高峰期, 给定值大些。工作时, 控制程序按不同时段自动给出压力给定值, 无需人工干预。
4.3 加泵、减泵控制
当变频器输出频率最高水压仍不能满足要求, 则需要进行加泵操作。第1台电机由变频到工频的转换, 时间应尽可能短。因为电机脱离变频后, 在水压的作用下, 电机转速下降很快, 转换时间过长, 会导致电机启动电流增加。同时第2台电机接入变频器启动。如果两台电机同时运行时, 由于用水负荷减小, 第2台电机转速调到最低, 实际管网压力仍然超出设定值, 则进行减泵操作。将第1台电机从电网断开。为了防止出现反复加泵、减泵的现象, 在PLC程序设计中, 引入滞环控制。程序中加泵、减泵的切换设定值不是刚好等于设定值, 加泵时设定值为“设定值-△”, 减泵时设定值为“设定值+△”。△的大小根据水压控制精度要求而进行相应设定。
4.4 人机交互界面的设计
人机交互界面应当提供相应的操作控制界面, 提供相应故障报警信息等。系统应当提供自动控制模式和人工控制模式两种。在自动控制模式下, 如果发生停电或其他意外情况使水泵停机, 系统能够在下次供电时重新启动。这样, 供水站平时就可无人值守, 有利于减轻工作人员的劳动强度, 节约劳动力资源。系统出现故障时, 能够切换到手动控制方式, 保证连续供水。
5 结语
综上所述, 变频恒压供水系统是值得大力推广的一项技术, 不但可应用于新建小区的供水系统, 也可应用到原有供水设备的改造中。实践运行表明, 该系统投入使用后系统供水压力稳定, 控制精度高, 运行可靠, 且具有良好的经济效益。
摘要：本文结合工程项目实例, 分析介绍了某小区恒压供水系统组成及工作原理;并从启动阶段、稳定运行状态、加泵减泵控制等方面对PLC恒压供水自动控制系统的设计要点进行了详细阐述。
关键词：现代住宅小区,恒压供水,自动控制系统,变频调速
参考文献
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[2]谢仕宏, 朱晓聪, 姜丽波, 模糊PID控制算法在恒压供水系统中的应用[J].陕西科技大学学报, 2007, 25 (2) .