自动化工程应用实例二-恒压供水

自动化工程应用实例二-恒压供水
1.变频器闭环控制
由于采用变频调速，该恒压供水系统可以节能，特 别是在流量小的情况下节能效果明显。 多数品牌通用变频器支持恒压供水功能，无须增加 任何硬件，也无须修改软件，只要适当设定变频器 的工作模式与有关参数（PID参数等）就可以了， 这是通用变频器众多功能当中的一个。
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1.变频器闭环控制
不同品牌的变频器 端子名称不同。 图2-1 变频恒压
供水系统
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变频器内置有PID调节器，调节器的输出 是频率给定。
图2-1示出了一个恒压供水系统。水泵电动机M 由变频器VF供电,SP是压力传感器,其检测到的 压力信号作为反馈信号XF被送到变频器的反馈 信号输入端(VPF)。压力给定信号XT从外接电 位器RP上取出,接到变频器的给定信号输入端 (VRF)。 不同的变频器端子符号有所不同。
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1.系统介绍
（1）变频恒压供水系统的控制方案 • 这种方案保证总有一台水泵电机处在变频运
行，四台水泵中的任何一台都可能变频运行， 长期看各台水泵运行时间基本相同，给维护 检修带来方便。大部分供水厂钟情此方案。
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1.系统介绍
（1）变频恒压供水系统的控制方案 • 但是，必须设置一套备用系统，图2-6中的软
三、自来水厂循环投切 变频恒压供水系统
1.系统介绍
·为避免“水锤”效应，人工投切时，投入泵应遵 循“先开机，后开阀”，切除泵应遵循“先关阀， 后停机”的操作顺序。若是小功率的水泵，则水 泵的出水侧都装有“止回阀”。
·现在最常用的方法是变频恒压供水。
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L
DZ1
DZ2
压力 变送器
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1.系统介绍
（2）循环投切的工作过程 • 关阀后停车，水泵电动机基本上处于空载运行
状态，到600ms时，电动机的转速下降不是很 多，使切换时冲击电流较小。
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1.系统介绍
（2）循环投切的工作过程 • 切换完成后再打开电磁阀，已停车的变频器切
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压力信号
出
P
水
管
4#泵
网
PLC
交
液
流
3#泵
位 信 号
接
变 频
触 器
2#泵
市政供水管闸
P
器
1#泵
蓄水池（小区水厂）
图2-3 小区变频恒压供水系统框图
自动化工程应用实例二-恒返压供回水10
2.恒压供水系统的组成
PLC自动检测水池水位信号并与设定的水位下 限比较，如果水位低于下限，输出水位报警信 号或直接停机。该系统还有多种保护功能，可 以保证正常供水，做到无人值守。 如果供水系统配置一台变频器和多台水泵电 机，PLC还要自动完成多台水泵电机的投切。
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三、自来水厂循环投切 变频恒压供水系统
1.系统介绍 ·在自来水厂的供水泵站中，系统一般由若干台扬程
相近的水泵组成，传统的调节水压和流量的方式是 人工投切运行水泵的台数。 ·以供水能力为4-6万吨∕日的自来水厂为例，一种可 能的水泵配置为3台160kW和一台90kW的水泵组成。
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Q
a)
P(XF) b)
ΔPID c)
0~t1段：流量Q无变化,压力P也无变 化,PID的调节量ΔPID为0,变频器的 输出t 频率fX也无变化； t1~t2段：流量Q增加,压力P有所下 降,产生正的调节量(ΔPID为正),变频 器的输出频率fX上升； t2~tt3段：流量Q稳定在一个较大的 数值,压力P已经恢复到给定值,调节 量上Δ升tP；ID=0,变频器的输出频率fX停止
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假设Q1是水泵输出的“供水流量”,而Q2
是用户所需要的“用水流量”,显然：
➢ 如果Q2>Q1,则压力必减小,反馈信号XF也随之减小；反之, 如果Q2<Q1,则压力必增大,反馈信号XF也随之增大；
➢ 如果Q1=Q2,则压力保持不变,反馈信号XF也保持不变,则水
泵的“供水流量”和用户的“用水流量”之间处于平衡状 态； ➢ 变频器通过内部的PID调节功能,不断地根据给定信号XT与 来自SP的反馈信号XF之间的比较结果,调整变频器的频率, 从而调整电动机的转速,达到供需平衡,使水压保持恒定。
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三、自来水厂循环投切 变频恒压供水系统
1.系统介绍
·传统的调节方法是，若供水量较大，流量和管 网水压已经不能满足要求，这时需人工投入水 泵；若供水量减小，管网水压会升高，此时又 需人工切除水泵。
·在深夜用水量较小时，用一台功率较小的水泵
供水。
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（2）自动运行
合上自动开关后，系统自动变频启动1#泵，频率从0Hz 开始上升，同时PID调节器接收到来自压力传感器的信号， 与压力给定信号比较，如果压力不够，则调节器指挥频 率继续上升。直到 50Hz，此时如果压力仍达不到给定值， 说明一台水泵不够，1#泵由变频运行切换到工频运行， 然后变频启动2#泵，逐渐升高频率至适当值，水压达到 给定值。多次加泵依次类推。
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2020/12/17
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一、供水流量调节原理
由水泵-管道供水原理可知，调节供水流量，原则上 有两种方法： 1.节流调节：开大供水阀，流量上升；关小供水阀， 流量下降。水泵转速不变，浪费能量。 2.转速调节：水泵转速升高，供水流量增加，转速 下降，流量降低。对于用水量经常变化的生活用水 场合，节能效果明显。
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3.恒压供
（1）手动运行
·按下按钮，工频启动或停止水泵，可根据需要 控制泵的启、停。该方式主要供检修及变频器出 故障时使用。
·手动启动水泵电机需要使用软启动器或其它降
压启动措施。
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3.恒压供水系统的工作原理
1.系统介绍
（1）变频恒压供水系统的控制方案 • 变频器首先驱动第一台水泵电动机变频运行，
需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的 输出端口RO1-RO3输出信号给PLC，由PLC控制 切换过程。
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1.系统介绍
（1）变频恒压供水系统的控制方案 • 切换开始时，变频器自由停车，第一台水泵切
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二、变频器 在恒压供水系统中的应用
1.变频器闭环控制
• 供水系统的关键是压力恒定，压力低则高层无法得到 供水，压力高则浪费能量。
• 传统的方法是使用水箱或水塔，但在供水质量、日常 维护和应付火警等方面均显示出明显的不足。
• 利用变频器压力闭环控制可以实现无塔恒压供水，获 得了广泛应用。
换到另一台水泵上启动并运行，打开电磁阀。 • 切除工频泵时，先关阀，后停车，这样无“水
锤”现象发生。 • 这些操作都是由PLC操作自动完成的。
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1.系统介绍
（3）软启动与切换电流冲击 • 变频器故障或检修时可以使用手动方式运行系
统。鉴于供水系统水泵电机一般功率较大，不 宜直接手动启动，需要采用星-三角、自耦变压 器降压或软启动器启动。
率升到了50Hz上限，运行60秒后管网水压未达到给 定值，则该台水泵需要切换到工频运行。其切换过 程如下：
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1.系统介绍
先关闭该台水泵电磁阀，然后变频器自由停车， 水泵电动机靠惯性继续运转，考虑到电动机中的残 余电压，不能将电动机立即切换到工频，而是延时 一段时间（约600ms），待残余电压下降到较小值 后再切换，以保证切换冲击电流较小。 残余电压是由于切换时电机磁场能量通过转子回 路释放,在定子上感应出电压所致。
当（如前述600ms）,冲击电流不会很大。 • 电动机残余电压的衰减时间一般为1-2秒。电机
磁场能量通过转子回路释放,感应出定子电压所 致。
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1.系统介绍
（3）软启动与切换电流冲击 • 延时长,残余电压小,但速度降落大；延时短,残
余电压大,但速度降落小,选择延时时间需二者 兼顾,以求得到最小的切换冲击电流。
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1.系统介绍
（3）软启动与切换电流冲击 • 自耦变压器降压启动时先加60%的额定电压，
延时数秒或数十秒钟后，再切换到全电压，可 以有效地减小启动电流的冲击。
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1.系统介绍
（3）软启动与切换电流冲击 • 电动机从变频向工频切换,只要切换延时时间适
启动器就是作为备用，当变频器或PLC故障时， 可用软启动器手动依次启动各泵运行，以保 证供水不中断。
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1.系统介绍
（2）循环投切的工作过程 • 变频器的输出端只能接负载，不能接电源，也不能
在运行中切断负载，切换过程应严格遵循这些限制。 • 系统启动后，变频器频率按设定斜率上升，如果频
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3.恒压供水系统的工作原理
如果用水量减少，则先启动的泵开始退出。 如果电源瞬时停电，则系统停机。待电源恢复 正常后，系统自动恢复运行，按自动运行方式 变频启动1#泵，重复上述操作，直到在给定水 压值上稳定运行。 变频自动运行无需软启动器。？
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使用外加的PID调解器完成闭环控制，如下图所 示，外加的PID调解器可以是PLC，如图2-3所示； 也可以是专用的恒压供水控制器，如图2-5所示。
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图2-5 专用恒压供水系统控制器
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4.总结
在供水系统中采用变频调速运行方式，可根据实 际需要设定水压，系统自动调节水泵电动机的转 速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给 定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资， 使系统可靠运行，实现恒压供水。 该项技术已经获得推广，是今后的发展方向。
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1.系统介绍
（1）变频恒压供水系统的控制方案
• 由于城市自来水的用量随季节的变化而变化，随 每日时段的不同而不同，所以，为使供水压力恒 定，最常用的方案是采用变频恒压供水系统。
• 即压力变送器装在主管网上检测压力信号，再将
此压力信号送到变频器的模拟信号输入端，由此
构成构成压力闭环控制系统。
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1.系统介绍
（1）变频恒压供水系统的控制方案 • 可以采用的一种方案是循环投切，见图1-6所
示。图中，BP1为变频器；BU1为软启动器， PT为压力变送器；ZJ1 、 ZJ2用于控制系统 的启动/停止和自动/手动转换开关。
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2.恒压供水系统的组成
·变频恒压供水系统由PLC控制器、变频调速器、压力变送 器、水位变送器、交流接触器和其它电控设备及泵组构成， 如图2-3所示。
·在供水系统总出水管上安装压力变送器。PLC具有模拟量 输入模块，可检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA 信号，并将检测的压力信号与给定的压力信号的差值经运 算后，输出频率给定给变频器,达到调节电动机的转速， 保持供水压力的恒定的目的。
换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上启 动并运行。 • 如果需要继续加泵，将第二台水泵切换到工频 运行，变频器连接到第三台水泵启动并运行。
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（1）变频恒压供水系统的控制方案 • 需要减泵时，系统先将第一台水泵停止，如果
需要接着将第二台水泵也停止。 • 再需要加泵时，切换从第三台水泵开始循环。
FU1 变频器
PT
RO1
ZJ1 BP1 RO2 KM3
ZJ2
RO3 RJ1
KM1
DZ3
KM5 RJ2
DZ4
DZ5
DZ6
软启动器
FU2
KM7
KM9 BU1
RJ3
RJ4
KM10
水泵 电机
KM2
M1
3~
KM4
M2
3~
KM6
M3
3~
KM8
M4
3~
PLC
可编程 控制器
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图2-6
变频恒压供水循环投切方案系统图
fX
t3~t4段：流量Q减小,压力P有所增
d)
加,产生负的调节量(ΔPID为负),变频 器的t 输出频率fX下降；
0 t1
t2 t3
t4 t4以后：流量Q停止减小,压力P又恢
图2-2恒压供水的调节过程
(a)流量 (b)压力 (c)调节量 (d)频率
复到给定值,调节量为0,变频器的输 出频率fX停止下降。