變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

摘

要：針對藥品研發(fā)中試企業(yè)用水量具有間斷性的特征，設(shè)計了一種變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC的邏輯控制與自診斷分析功能，實現(xiàn)了全自動恒壓供水，水泵電機根據(jù)測量壓力均可變頻和工頻供電，相互備用。實際運行表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定性強，控制靈活，安全可靠。關(guān)鍵詞：節(jié)能；變頻調(diào)速；PID應(yīng)用宏；PLC控制；邏輯控制0引言藥品研發(fā)中試企業(yè)用水量具有間斷性特征，有生產(chǎn)需求時用水量大，在藥品研發(fā)小試階段用水量較小，因此，離心水泵必須通過調(diào)整轉(zhuǎn)速來滿足水壓穩(wěn)定性的需求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體，可實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，并具有良好的節(jié)能效果。1水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理水泵調(diào)速的H-Q曲線如圖1所示，水泵運行工況點D是泵的特性曲線與管路阻力曲線的交點。當(dāng)用閥門控制流量時，若要減小流量，則需關(guān)小閥門開度，使閥門摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R2，揚程則從H0上升到H1，流量從QN減小到Q1，運行工況點從D點移到A點。調(diào)速控制時，阻力曲線不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果將轉(zhuǎn)速由nN變?yōu)閚1，運行工況點從D點移到C點，揚程從H0降到H3，流量從QN減小到Q1，則泵在A點、C點工況運行時的軸功率分別為：式中：PA、PC為泵在工況點A、C的軸功率（kW）；Q1為工況點流量（m3/s）；H1、H3為工況點揚程（m）；ρ為輸出介質(zhì)單位體積質(zhì)量（kg/m3）；η為工況點的泵效率（%）。將PA與PC相減得出使用調(diào)速控制時節(jié)省的功率：Q、H、P、n之間的關(guān)系為：水泵采用調(diào)速控制方式時，若所需流量為額定流量的80%，則軸功率僅為額定軸功率的51.2%，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10%～40%，流量越小，節(jié)能效果越明顯。2控制系統(tǒng)組成本系統(tǒng)供水泵采用兩用一備方式，泵功率15kW，Q=162m3/s，H=42m，泵前裝有9.5m×3m×2.5m的生產(chǎn)水箱，企業(yè)用水量經(jīng)常出現(xiàn)間斷性、階梯性特征，且市政供水壓力偏高，為保證生產(chǎn)用水的安全性，避免系統(tǒng)管網(wǎng)壓力過高，本設(shè)計采用變頻器一拖三運行方式，每臺泵電機均可工作在變頻/工頻模式下，在主回路控制中，每臺電機分別通過接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源連接，工頻回路裝有過熱繼電器，工頻和變頻控制回路在硬件和軟件方面互鎖，當(dāng)任意一臺電機出現(xiàn)故障，PLC系統(tǒng)經(jīng)過邏輯分析自動投入備用供電回路，確保管網(wǎng)供水壓力穩(wěn)定，安全供水。本系統(tǒng)采用經(jīng)典的PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，PLC選用西門子的CPU226CN小型機，本機集成24點DI輸入、16點DO輸出，PLC的I/O端口分配表如表1所示。變頻器選用ABB的ACS510系列，其程序參數(shù)集成了恒壓供水、冷卻風(fēng)機、地鐵和隧道通風(fēng)等典型應(yīng)用，ACS510系列端子接線表如表2所示。本系統(tǒng)還包括數(shù)顯壓力變送器、液位計、斷路器、接觸器、熱繼電器等常規(guī)電氣元件，可實現(xiàn)手動狀態(tài)的開環(huán)控制和自動狀態(tài)下的恒壓閉環(huán)控制。PLC完成水泵的啟停、控制點采集、邏輯控制、報警等功能。ABB變頻器具有內(nèi)置的PID功能模塊。變頻調(diào)速系統(tǒng)限制電機啟動電流，避免對電網(wǎng)造成沖擊，可消除泵啟動和停機時的水錘效應(yīng)。但變頻調(diào)速范圍應(yīng)在離心泵特征曲線（H-Q）的最佳工作范圍內(nèi)，即頻率下調(diào)10%～30%才能體現(xiàn)出較好的節(jié)能效益，再往下調(diào)節(jié)頻率，就會出現(xiàn)水泵運轉(zhuǎn)而不出水的工況，即超出了離心泵的極限工作范圍。ACS510系列變頻器能很好地解決恒壓供水的PID算法控制問題。3恒壓控制過程及實現(xiàn)恒壓控制充分利用了ABB的ACS510系列變頻器內(nèi)置的PID宏控制參數(shù)，宏是一組預(yù)先定義的參數(shù)集，且所有宏參數(shù)將自動設(shè)置成默認值，可減少調(diào)試時間，降低出錯的可能性，通過必要參數(shù)的設(shè)置，可以完美地實現(xiàn)恒壓供水功能。本系統(tǒng)變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如表3所示。系統(tǒng)在泵出口水平總管道上安裝數(shù)顯壓力變送器，量程范圍為0～2.5MPa，當(dāng)水泵自動運行時，壓力變送器的4～20mA信號進入ABB變頻器的AI1輸入端，變頻器根據(jù)給定值和測量值的偏差及偏差變化率，經(jīng)PID運算后，調(diào)整變頻器輸出頻率，根據(jù)公式n=60f/p（f為頻率，p為極對數(shù)），改變異步電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率，直接控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，改變水泵的H-Q特征值，從而調(diào)整水泵出口壓力。邏輯控制方面，假定1#泵運行，當(dāng)用水量增大時，管網(wǎng)壓力下降，變頻器的PID自動調(diào)節(jié)使其頻率輸出增大，當(dāng)頻率輸出值達到49.5Hz時，根據(jù)變頻器參數(shù)1401、3201、3203的設(shè)置，變頻器DO1輸出值為“ON”，PLC根據(jù)I0.0為“1”發(fā)出增泵指令，PLC延時10s后，該臺水泵自動切換至工頻運行模式，實現(xiàn)無擾動切換，此時變頻器停止工作，自由停車至0頻率值，延時5s后啟動2#泵變頻運行。當(dāng)用水量減少，管網(wǎng)壓力升高至0.35MPa時，根據(jù)變頻器參數(shù)1402、3204、3206的設(shè)置，變頻器DO2輸出值為“ON”，PLC根據(jù)I0.1為“1”發(fā)出減泵指令，1#工頻泵停止運行。隨著用水量減少，變頻器工作在低頻段，根據(jù)變頻器參數(shù)4023、4024的設(shè)置，當(dāng)頻率低于30Hz時，變頻器啟動睡眠功能，并延時60s后變頻器停止工作，避免浪費電能。若用水量增大或持續(xù)少量用水，管網(wǎng)壓力會持續(xù)降低，根據(jù)變頻器參數(shù)4025、4026的設(shè)置，當(dāng)壓力下降到0.25MPa時，經(jīng)過延時0.5s后，變頻器開始啟動重新工作，保證管網(wǎng)壓力控制在0.3MPa左右。變頻泵工作的輪換按1#、2#、3#水泵順序循環(huán)工作，3臺泵自動循環(huán)運行，互為備用，使泵組設(shè)備均衡使用，避免單臺泵運行過度損耗。若此時有1臺泵組發(fā)生故障，表現(xiàn)為開關(guān)跳閘、熱繼電器動作，則第3臺泵根據(jù)控制策略需要，自動投入運行，若變頻器發(fā)生故障，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，提示崗位人員切換手動狀態(tài)，水泵將在工頻狀態(tài)下運行，在緊急情況下可打開生產(chǎn)水箱的旁通閥，保證持續(xù)供水。為避免加泵、減泵切換過程中壓力出現(xiàn)波動，或用水負荷大幅度波動造成調(diào)節(jié)震蕩，在泵出口連接有穩(wěn)壓罐，能有效保證供水壓力的穩(wěn)定性。當(dāng)生產(chǎn)水箱的液位低于0.25m時，PLC掃描到低水位信號，系統(tǒng)將停機；當(dāng)液位高于2.3m時，PLC掃描到高水位信號，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警。4系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)軟件采用西門子的STEP7MicroWINV4.0SP9編程軟件，PLC程序主要由MAIN初始化主程序以及運行狀態(tài)、增