自動化工程應(yīng)用實例之恒壓供水系統(tǒng)課件

自動化工程應(yīng)用實例

（二）恒壓供水系統(tǒng)由水泵-管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量，原則上有兩種方法：1.節(jié)流調(diào)節(jié)：開大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥，流量下降。水泵轉(zhuǎn)速不變，浪費能量。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量增加，轉(zhuǎn)速下降，流量降低。對于用水量經(jīng)常變化的生活用水場合，節(jié)能效果明顯。一、供水流量調(diào)節(jié)原理1.變頻器閉環(huán)控制供水系統(tǒng)的關(guān)鍵是壓力恒定，壓力低則高層無法得到供水，壓力高則浪費能量。傳統(tǒng)的方法是使用水箱或水塔，但在供水質(zhì)量、日常維護(hù)和應(yīng)付火警等方面均顯示出明顯的不足。利用變頻器壓力閉環(huán)控制可以實現(xiàn)無塔恒壓供水，獲得了廣泛應(yīng)用。二、變頻器

在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用1.變頻器閉環(huán)控制不同品牌的變頻器端子名稱不同。圖2-1變頻恒壓

供水系統(tǒng)圖2-1示出了一個恒壓供水系統(tǒng)。水泵電動機(jī)M由變頻器VF供電,SP是壓力傳感器,其檢測到的壓力信號作為反饋信號XF被送到變頻器的反饋信號輸入端(VPF)。壓力給定信號XT從外接電位器RP上取出,接到變頻器的給定信號輸入端(VRF)。不同的變頻器端子符號有所不同。變頻器內(nèi)置有PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出是頻率給定。假設(shè)Q1是水泵輸出的“供水流量”,而Q2是用戶所需要的“用水流量”,顯然：如果Q2>Q1,則壓力必減小,反饋信號XF也隨之減??；反之,如果Q2<Q1,則壓力必增大,反饋信號XF也隨之增大；如果Q1=Q2,則壓力保持不變,反饋信號XF也保持不變,則水泵的“供水流量”和用戶的“用水流量”之間處于平衡狀態(tài)；變頻器通過內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)功能,不斷地根據(jù)給定信號XT與來自SP的反饋信號XF之間的比較結(jié)果,調(diào)整變頻器的頻率,從而調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到供需平衡,使水壓保持恒定。Q

P(XF)ΔPIDfXtttt0t1t2t3t4圖2-2恒壓供水的調(diào)節(jié)過程(a)流量(b)壓力(c)調(diào)節(jié)量(d)頻率a)b)c)d)

0~t1段：流量Q無變化,壓力P也無變化,PID的調(diào)節(jié)量ΔPID為0,變頻器的輸出頻率fX也無變化；

t1~t2段：流量Q增加,壓力P有所下降,產(chǎn)生正的調(diào)節(jié)量(ΔPID為正),變頻器的輸出頻率fX上升；

t2~t3段：流量Q穩(wěn)定在一個較大的數(shù)值,壓力P已經(jīng)恢復(fù)到給定值,調(diào)節(jié)量ΔPID=0,變頻器的輸出頻率fX停止上升；

t3~t4段：流量Q減小,壓力P有所增加,產(chǎn)生負(fù)的調(diào)節(jié)量(ΔPID為負(fù)),變頻器的輸出頻率fX下降；

t4以后：流量Q停止減小,壓力P又恢復(fù)到給定值,調(diào)節(jié)量為0,變頻器的輸出頻率fX停止下降。由于采用變頻調(diào)速，該恒壓供水系統(tǒng)可以節(jié)能，特別是在流量小的情況下節(jié)能效果明顯。多數(shù)品牌通用變頻器支持恒壓供水功能，無須增加任何硬件，也無須修改軟件，只要適當(dāng)設(shè)定變頻器的工作模式與有關(guān)參數(shù)（PID參數(shù)等）就可以了，這是通用變頻器眾多功能當(dāng)中的一個。1.變頻器閉環(huán)控制·變頻恒壓供水系統(tǒng)由PLC控制器、變頻調(diào)速器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器和其它電控設(shè)備及泵組構(gòu)成，如圖2-3所示?！ぴ诠┧到y(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器。PLC具有模擬量輸入模塊，可檢測壓力變送器和液位變送器輸出的4-20mA信號，并將檢測的壓力信號與給定的壓力信號的差值經(jīng)運算后，輸出頻率給定給變頻器,達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定的目的。2.恒壓供水系統(tǒng)的組成蓄水池（小區(qū)水廠）交流接觸器PLC變頻器4#泵3#泵2#泵1#泵PP壓力信號液位信號市政供水管閘圖2-3小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖出水管網(wǎng)返回10PLC自動動檢檢測測水水池池水水位位信信號號并并與與設(shè)設(shè)定定的的水水位位下下限限比比較較，，如如果果水水位位低低于于下下限限，，輸輸出出水水位位報報警警信信號號或或直直接接停停機(jī)機(jī)。。該該系系統(tǒng)統(tǒng)還還有有多多種種保保護(hù)護(hù)功功能能，，可可以以保保證證正正常常供供水水，，做做到到無無人人值值守守。。如果果供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)配配置置一一臺臺變變頻頻器器和和多多臺臺水水泵泵電電機(jī)機(jī)，，PLC還要要自自動動完完成成多多臺臺水水泵泵電電機(jī)機(jī)的的投投切切。。2.恒壓壓供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)的的組組成成該系系統(tǒng)統(tǒng)有有手手動動和和自自動動二二種種工工作作方方式式。。（1）手手動動運運行行·按下下按按鈕鈕，，工工頻頻啟啟動動或或停停止止水水泵泵，，可可根根據(jù)據(jù)需需要要控控制制泵泵的的啟啟、、停停。。該該方方式式主主要要供供檢檢修修及及變變頻頻器器出出故故障障時時使使用用。?！な謩觿訂觿铀帽秒婋姍C(jī)機(jī)需需要要使使用用軟軟啟啟動動器器或或其其它它降降壓壓啟啟動動措措施施。。3.恒壓壓供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作原原理理（2）自自動動運運行行合上上自自動動開開關(guān)關(guān)后后，，系系統(tǒng)統(tǒng)自自動動變變頻頻啟啟動動1#泵，，頻頻率率從從0Hz開始始上上升升，，同同時時PID調(diào)節(jié)節(jié)器器接接收收到到來來自自壓壓力力傳傳感感器器的的信信號號，，與與壓壓力力給給定定信信號號比比較較，，如如果果壓壓力力不不夠夠，，則則調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器指指揮揮頻頻率率繼繼續(xù)續(xù)上上升升。。直直到到50Hz，此此時時如如果果壓壓力力仍仍達(dá)達(dá)不不到到給給定定值值，，說說明明一一臺臺水水泵泵不不夠夠，，1#泵由由變變頻頻運運行行切切換換到到工工頻頻運運行行，，然然后后變變頻頻啟啟動動2#泵，，逐逐漸漸升升高高頻頻率率至至適適當(dāng)當(dāng)值值，，水水壓壓達(dá)達(dá)到到給給定定值值。。多多次次加加泵泵依依次次類類推推。。3.恒壓壓供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作原原理理如果果用用水水量量減減少少，，則則先先啟啟動動的的泵泵開開始始退退出出。。如果果電電源源瞬瞬時時停停電電，，則則系系統(tǒng)統(tǒng)停停機(jī)機(jī)。。待待電電源源恢恢復(fù)復(fù)正正常常后后，，系系統(tǒng)統(tǒng)自自動動恢恢復(fù)復(fù)運運行行，，按按自自動動運運行行方方式式變變頻頻啟啟動動1#泵，，重重復(fù)復(fù)上上述述操操作作，，直直到到在在給給定定水水壓壓值值上上穩(wěn)穩(wěn)定定運運行行。。變頻頻自自動動運運行行無無需需軟軟啟啟動動器器。。？3.恒壓壓供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作原原理理使用用外外加加的的PID調(diào)解解器器完完成成閉閉環(huán)環(huán)控控制制，，如如下下圖圖所所示示，，外外加加的的PID調(diào)解解器器可可以以是是PLC，如如圖圖2-3所示示；；也也可可以以是是專專用用的的恒恒壓壓供供水水控控制制器器，，如如圖圖2-5所示示。。圖2-5專用用恒恒壓壓供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制器器在供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)中中采采用用變變頻頻調(diào)調(diào)速速運運行行方方式式，，可可根根據(jù)據(jù)實實際際需需要要設(shè)設(shè)定定水水壓壓，，系系統(tǒng)統(tǒng)自自動動調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)水水泵泵電電動動機(jī)機(jī)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速或或加加減減泵泵，，使使供供水水系系統(tǒng)統(tǒng)管管網(wǎng)網(wǎng)中中的的壓壓力力保保持持在在給給定定值值，，以以求求最最大大限限度度的的節(jié)節(jié)能能、、節(jié)節(jié)水水、、節(jié)節(jié)地地、、節(jié)節(jié)資資，，使使系系統(tǒng)統(tǒng)可可靠靠運運行行，，實實現(xiàn)現(xiàn)恒恒壓壓供供水水。。該項技術(shù)術(shù)已經(jīng)獲獲得推廣廣，是今今后的發(fā)發(fā)展方向向。4.總結(jié)1.系統(tǒng)介紹紹·在自來水水廠的供供水泵站站中，系系統(tǒng)一般般由若干干臺揚(yáng)程程相近的的水泵組組成，傳傳統(tǒng)的調(diào)調(diào)節(jié)水壓壓和流量量的方式式是人工工投切運運行水泵泵的臺數(shù)數(shù)?！ひ怨┧苣芰?-6萬噸∕日日的自來來水廠為為例，一一種可能能的水泵泵配置為為3臺160kW和一臺90kW的水泵組組成。三、自來來水廠循循環(huán)投切切變頻恒壓壓供水系系統(tǒng)1.系統(tǒng)介紹紹·傳統(tǒng)的調(diào)調(diào)節(jié)方法法是，若若供水量量較大，，流量和和管網(wǎng)水水壓已經(jīng)經(jīng)不能滿滿足要求求，這時時需人工工投入水水泵；若若供水量量減小，，管網(wǎng)水水壓會升升高，此此時又需需人工切切除水泵泵?！ぴ谏钜褂糜盟枯^較小時，，用一臺臺功率較較小的水水泵供水水。三、自來來水廠循循環(huán)投切切變頻恒壓壓供水系系統(tǒng)1.系統(tǒng)介紹紹·為避免““水錘””效應(yīng)，，人工投投切時，，投入泵泵應(yīng)遵循循“先開開機(jī)，后后開閥””，切除除泵應(yīng)遵遵循“先先關(guān)閥，，后停機(jī)機(jī)”的操操作順序序。若是是小功率率的水泵泵，則水水泵的出出水側(cè)都都裝有““止回閥閥”?！がF(xiàn)在最常常用的方方法是變變頻恒壓壓供水。。三、自來來水廠循循環(huán)投切切變頻恒壓壓供水系系統(tǒng)BP1BU1PLCPTM13~M23~M33~M43~DZ1DZ2DZ3DZ4DZ5DZ6KM3KM5KM7KM9RJ1RJ2RJ3RJ4KM2KM4KM6KM8KM1KM10FU1FU2LRO1RO2RO3ZJ1ZJ2圖2-6變頻恒壓壓供水循循環(huán)投切切方案系系統(tǒng)圖變頻器軟啟動器器壓力變送器可編程控控制器水泵電機(jī)返回26返回24返回34（1）變頻恒恒壓供水水系統(tǒng)的的控制方方案由于城市市自來水水的用量量隨季節(jié)節(jié)的變化化而變化化，隨每每日時段段的不同同而不同同，所以以，為使使供水壓壓力恒定定，最常常用的方方案是采采用變頻頻恒壓供供水系統(tǒng)統(tǒng)。即壓力變變送器裝裝在主管管網(wǎng)上檢檢測壓力力信號，，再將此此壓力信信號送到到變頻器器的模擬擬信號輸輸入端，，由此構(gòu)構(gòu)成構(gòu)成成壓力閉閉環(huán)控制制系統(tǒng)。。1.系統(tǒng)介紹紹（1）變頻恒恒壓供水水系統(tǒng)的的控制方方案可以采用用的一種種方案是是循環(huán)投投切，見見圖1-6所示。圖圖中，BP1為變頻器器；BU1為軟啟動動器，PT為壓力變變送器；；ZJ1、ZJ2用于控制制系統(tǒng)的的啟動/停止和自自動/手動轉(zhuǎn)換換開關(guān)。。1.系統(tǒng)介紹紹（1）變頻恒恒壓供水水系統(tǒng)的的控制方方案變頻器首首先驅(qū)動動第一臺臺水泵電電動機(jī)變變頻運行行，需要要加泵時時，變頻頻器停止止運行，，并由變變頻器的的輸出端端口RO1-RO3輸出信號號給PLC，由PLC控制切換換過程。。1.系統(tǒng)介紹紹（1）變頻恒恒壓供水水系統(tǒng)的的控制方方案切換開始始時，變變頻器自自由停車車，第一一臺水泵泵切換到到工頻運運行，變變頻器連連接到第第二臺水水泵上啟啟動并運運行。如果需要要繼續(xù)加加泵，將將第二臺臺水泵切切換到工工頻運行行，變頻頻器連接接到第三三臺水泵泵啟動并并運行。。1.系統(tǒng)介紹紹（1）變頻恒恒壓供水水系統(tǒng)的的控制方方案需要減泵泵時，系系統(tǒng)先將將第一臺臺水泵停停止，如如果需要要接著將將第二臺臺水泵也也停止。。再需要加加泵時，，切換從從第三臺臺水泵開開始循環(huán)環(huán)。1.系統(tǒng)介紹紹（1）變頻恒恒壓供水水系統(tǒng)的的控制方方案這種方案案保證總總有一臺臺水泵電電機(jī)處在在變頻運運行，四四臺水泵泵中的任任何一臺臺都可能能變頻運運行，長長期看各各臺水泵泵運行時時間基本本相同，，給維護(hù)護(hù)檢修帶帶來方便便。大部部分供水水廠鐘情情此方案案。1.系統(tǒng)介紹紹（1）變頻恒恒壓供水水系統(tǒng)的的控制方方案但是，必必須設(shè)置置一套備備用系統(tǒng)統(tǒng)，圖2-6中的軟啟啟動器就就是作為為備用，，當(dāng)變頻頻器或PLC故障時，，可用軟軟啟動器器手動依依次啟動動各泵運運行，以以保證供供水不中中斷。1.系統(tǒng)介紹紹（2）循環(huán)投投切的工工作過程程變頻器的的輸出端端只能接接負(fù)載，，不能接接電源，，也不能能在運行行中切斷斷負(fù)載，，切換過過程應(yīng)嚴(yán)嚴(yán)格遵循循這些限限制。系統(tǒng)啟動動后，變變頻器頻頻率按設(shè)設(shè)定斜率率上升，，如果頻頻率升到到了50Hz上限，運運行60秒后管網(wǎng)網(wǎng)水壓未未達(dá)到給給定值，，則該臺臺水泵需需要切換換到工頻頻運行。。其切換換過程如如下：1.系統(tǒng)介紹紹先關(guān)閉該該臺水泵泵電磁閥閥，然后后變頻器器自由停停車，水水泵電動動機(jī)靠慣慣性繼續(xù)續(xù)運轉(zhuǎn)，，考慮到到電動機(jī)機(jī)中的殘殘余電壓壓，不能能將電動動機(jī)立即即切換到到工頻，，而是延延時一段段時間（（約600ms），待殘殘余電壓壓下降到到較小值值后再切切換，以以保證切切換沖擊擊電流較較小。殘余電壓壓是由于于切換時時電機(jī)磁磁場能量量通過轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子回路路釋放,在定子上上感應(yīng)出出電壓所所致。1.系統(tǒng)介紹紹（2）循環(huán)投投切的工工作過程程關(guān)閥后停停車，水水泵電動動機(jī)基本本上處于于空載運運行狀態(tài)態(tài)，到600ms時，電動動機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下降降不是很很多，使使切換時時沖擊電電流較小小。1.系統(tǒng)介紹紹（2）循環(huán)投投切的工工作過程程切換完成成后再打打開電磁磁閥，已已停車的的變頻器器切換到到另一臺臺水泵上上啟動并并運行，，打開電電磁閥。。切除工頻頻泵時，，先關(guān)閥閥，后停停車，這這樣無““水錘””現(xiàn)象發(fā)發(fā)生。這些操作作都是由由PLC操作自動動完成的的。1.系統(tǒng)介紹紹（3）軟啟動動與切換換電流沖沖擊變頻器故故障或檢檢修時可可以使用用手動方方式運行行系統(tǒng)。。鑒于供供水系統(tǒng)統(tǒng)水泵電電機(jī)一般般功率較較大，不不宜直接接手動啟啟動，需需要采用用星-三角、自自耦變壓壓器降壓壓或軟啟啟動器啟啟動。1.系統(tǒng)介紹紹（3）軟啟動動與切換換電流沖沖擊自耦變壓壓器降壓壓啟動時時先加60%的額定電電壓，延延時數(shù)秒秒或數(shù)十十秒鐘后后，再切切換到全全電壓，，可以有有效地減減小啟動動電流的的沖擊。。1.系統(tǒng)介紹紹（3）軟啟動動與切換換電流沖沖擊電動機(jī)從從變頻向向工頻切切換,只要切換換延時時時間適當(dāng)當(dāng)（如前前述600ms）,沖擊電流流不會很很大。電動機(jī)殘殘余電壓壓的衰減減時間一一般為1-2秒。電機(jī)機(jī)磁場能能量通過過轉(zhuǎn)子回回路釋放放,感應(yīng)出定定子電壓壓所致。。1.系統(tǒng)介紹紹（3）軟啟動動與切換換電流沖沖擊延時長,殘余電壓壓小,但速度降降落大；；延時短短,殘余電壓壓大,但速度降降落小,選擇延時時時間需需二者兼兼顧,以求得到到最小的的切換沖沖擊電流流。1.系統(tǒng)介紹紹某市自來來水二廠廠招標(biāo)，，標(biāo)書提提出的要要求①設(shè)計供供水能力力為6萬噸∕日日；②城市管管網(wǎng)壓力力為0.4MPa；③泵組為為3臺160kW、1臺90kW水泵；；④要求求恒壓壓供水水并采采用計計算機(jī)機(jī)控制制；⑤變頻頻器或或控制制系統(tǒng)統(tǒng)故障障可由由軟啟啟動器器手動動啟動動各泵泵。2.應(yīng)用實實例（1）計算算機(jī)監(jiān)監(jiān)控的的內(nèi)容容①管網(wǎng)網(wǎng)壓力力、流流量；；②泵的運運行狀狀態(tài)、、閥啟啟閉狀狀態(tài)；；③電動機(jī)機(jī)溫度度；④各泵電電動機(jī)機(jī)電流流、電電壓、、功率率、功功率因因數(shù)；；⑤水質(zhì)參參數(shù)：：包括括余氯氯、濁濁度、、含鐵鐵量