自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水課件

1、自動化工程應(yīng)用實(shí)例（二）恒壓供水系統(tǒng)自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水由水泵-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(fèi)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)原理自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水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(fèi)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(shí)現(xiàn)無塔恒壓供水，獲得了廣泛應(yīng)

2、用。二、變頻器 在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水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)自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水圖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。自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水假設(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Q2Q1,

3、則壓力必減小,反饋信號XF也隨之減小；反之,如果Q2Q1,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。自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水 Q P(XF) PID fXtttt0 t1 t2 t3 t4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) 0t1段：流量Q無變化,壓力P也無變化,P

4、ID的調(diào)節(jié)量PID為0,變頻器的輸出頻率fX也無變化； t1t2段：流量Q增加,壓力P有所下降,產(chǎn)生正的調(diào)節(jié)量(PID為正),變頻器的輸出頻率fX上升； t2t3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PID=0,變頻器的輸出頻率fX停止上升； t3t4段：流量Q減小,壓力P有所增加,產(chǎn)生負(fù)的調(diào)節(jié)量(PID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。自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水由于采用變頻調(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

5、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 自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水變頻恒壓供水系統(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。在供水系統(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(yùn)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)的組成自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水 蓄水池（小區(qū)水廠

6、）交流接觸器PLC變頻器 4#泵3#泵2#泵1#泵 P P 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10自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水PLC自動檢測水池水位信號并與設(shè)定的水位下限比較，如果水位低于下限，輸出水位報警信號或直接停機(jī)。該系統(tǒng)還有多種保護(hù)功能，可以保證正常供水，做到無人值守。如果供水系統(tǒng)配置一臺變頻器和多臺水泵電機(jī)，PLC還要自動完成多臺水泵電機(jī)的投切。2.恒壓供水系統(tǒng)的組成自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水 該系統(tǒng)有手動和自動二種工作方式。 （1）手動運(yùn)行 按下按鈕，工頻啟動或停止水泵，可根據(jù)需要控制泵的啟、停。該方式主要供檢修及變頻器出故障時使用。

7、 手動啟動水泵電機(jī)需要使用軟啟動器或其它降壓啟動措施。3.恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（2）自動運(yùn)行 合上自動開關(guān)后，系統(tǒng)自動變頻啟動1#泵，頻率從0Hz開始上升，同時PID調(diào)節(jié)器接收到來自壓力傳感器的信號，與壓力給定信號比較，如果壓力不夠，則調(diào)節(jié)器指揮頻率繼續(xù)上升。直到 50Hz，此時如果壓力仍達(dá)不到給定值，說明一臺水泵不夠，1#泵由變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行，然后變頻啟動2#泵，逐漸升高頻率至適當(dāng)值，水壓達(dá)到給定值。多次加泵依次類推。3.恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水如果用水量減少，則先啟動的泵開始退出。如果電源瞬時停電，則系統(tǒng)停機(jī)。待電源恢復(fù)正常

8、后，系統(tǒng)自動恢復(fù)運(yùn)行，按自動運(yùn)行方式變頻啟動1#泵，重復(fù)上述操作，直到在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。變頻自動運(yùn)行無需軟啟動器。？3.恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水使用外加的PID調(diào)解器完成閉環(huán)控制，如下圖所示，外加的PID調(diào)解器可以是PLC，如圖2-3所示；也可以是專用的恒壓供水控制器，如圖2-5所示。自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水圖2-5 專用恒壓供水系統(tǒng)控制器自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定水壓，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，使系統(tǒng)可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)恒

9、壓供水。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得推廣，是今后的發(fā)展方向。4.總結(jié) 自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水1.系統(tǒng)介紹在自來水廠的供水泵站中，系統(tǒng)一般由若干臺揚(yáng)程相近的水泵組成，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)水壓和流量的方式是人工投切運(yùn)行水泵的臺數(shù)。以供水能力為4-6萬噸日的自來水廠為例，一種可能的水泵配置為3臺160kW和一臺90kW的水泵組成。三、自來水廠循環(huán)投切 變頻恒壓供水系統(tǒng)自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水1.系統(tǒng)介紹傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是，若供水量較大，流量和管網(wǎng)水壓已經(jīng)不能滿足要求，這時需人工投入水泵；若供水量減小，管網(wǎng)水壓會升高，此時又需人工切除水泵。在深夜用水量較小時，用一臺功率較小的水泵供水。三、自來水廠循環(huán)投切 變頻恒壓

10、供水系統(tǒng)自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水1.系統(tǒng)介紹為避免“水錘”效應(yīng)，人工投切時，投入泵應(yīng)遵循“先開機(jī)，后開閥”，切除泵應(yīng)遵循“先關(guān)閥，后停機(jī)”的操作順序。若是小功率的水泵，則水泵的出水側(cè)都裝有“止回閥”。現(xiàn)在最常用的方法是變頻恒壓供水。三、自來水廠循環(huán)投切 變頻恒壓供水系統(tǒng)自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水 BP1 BU1 PLC PTM13M23M33M43 DZ1 DZ2 DZ3 DZ4 DZ5 DZ6KM3 KM5 KM7 KM9 RJ1 RJ2 RJ3 RJ4 KM2 KM4 KM6 KM8KM1KM10FU1 FU2LRO1RO2RO3ZJ1ZJ2圖2-6 變頻恒壓供水循環(huán)投切方案系統(tǒng)圖變

11、頻器軟啟動器壓力變送器可編程控制器水泵電機(jī)返回26返回24返回34自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案由于城市自來水的用量隨季節(jié)的變化而變化，隨每日時段的不同而不同，所以，為使供水壓力恒定，最常用的方案是采用變頻恒壓供水系統(tǒng)。即壓力變送器裝在主管網(wǎng)上檢測壓力信號，再將此壓力信號送到變頻器的模擬信號輸入端，由此構(gòu)成構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案可以采用的一種方案是循環(huán)投切，見圖1-6所示。圖中，BP1為變頻器；BU1為軟啟動器，PT為壓力變送器；ZJ1 、 ZJ2用于控制系統(tǒng)的啟動/停止和自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)。

12、1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案變頻器首先驅(qū)動第一臺水泵電動機(jī)變頻運(yùn)行，需要加泵時，變頻器停止運(yùn)行，并由變頻器的輸出端口RO1-RO3輸出信號給PLC，由PLC控制切換過程。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案切換開始時，變頻器自由停車，第一臺水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第二臺水泵上啟動并運(yùn)行。如果需要繼續(xù)加泵，將第二臺水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第三臺水泵啟動并運(yùn)行。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案需要減泵時，系統(tǒng)先將第一臺水泵停止，如果需要接著將第二臺水泵也停止。再需

13、要加泵時，切換從第三臺水泵開始循環(huán)。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案這種方案保證總有一臺水泵電機(jī)處在變頻運(yùn)行，四臺水泵中的任何一臺都可能變頻運(yùn)行，長期看各臺水泵運(yùn)行時間基本相同，給維護(hù)檢修帶來方便。大部分供水廠鐘情此方案。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案但是，必須設(shè)置一套備用系統(tǒng)，圖2-6中的軟啟動器就是作為備用，當(dāng)變頻器或PLC故障時，可用軟啟動器手動依次啟動各泵運(yùn)行，以保證供水不中斷。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（2）循環(huán)投切的工作過程變頻器的輸出端只能接負(fù)載，不能接電源，也不能在運(yùn)行中切斷負(fù)載，切

14、換過程應(yīng)嚴(yán)格遵循這些限制。系統(tǒng)啟動后，變頻器頻率按設(shè)定斜率上升，如果頻率升到了50Hz上限，運(yùn)行60秒后管網(wǎng)水壓未達(dá)到給定值，則該臺水泵需要切換到工頻運(yùn)行。其切換過程如下：1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水先關(guān)閉該臺水泵電磁閥，然后變頻器自由停車，水泵電動機(jī)靠慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到電動機(jī)中的殘余電壓，不能將電動機(jī)立即切換到工頻，而是延時一段時間（約600ms），待殘余電壓下降到較小值后再切換，以保證切換沖擊電流較小。殘余電壓是由于切換時電機(jī)磁場能量通過轉(zhuǎn)子回路釋放,在定子上感應(yīng)出電壓所致。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（2）循環(huán)投切的工作過程關(guān)閥后停車，水泵電動機(jī)基本上處于空載運(yùn)

15、行狀態(tài)，到600ms時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時沖擊電流較小。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（2）循環(huán)投切的工作過程切換完成后再打開電磁閥，已停車的變頻器切換到另一臺水泵上啟動并運(yùn)行，打開電磁閥。切除工頻泵時，先關(guān)閥，后停車，這樣無“水錘”現(xiàn)象發(fā)生。這些操作都是由PLC操作自動完成的。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（3）軟啟動與切換電流沖擊變頻器故障或檢修時可以使用手動方式運(yùn)行系統(tǒng)。鑒于供水系統(tǒng)水泵電機(jī)一般功率較大，不宜直接手動啟動，需要采用星-三角、自耦變壓器降壓或軟啟動器啟動。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（3）軟啟動與切換電流沖擊自耦變壓器降壓啟動

16、時先加60%的額定電壓，延時數(shù)秒或數(shù)十秒鐘后，再切換到全電壓，可以有效地減小啟動電流的沖擊。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（3）軟啟動與切換電流沖擊電動機(jī)從變頻向工頻切換,只要切換延時時間適當(dāng)（如前述600ms）,沖擊電流不會很大。電動機(jī)殘余電壓的衰減時間一般為1-2秒。電機(jī)磁場能量通過轉(zhuǎn)子回路釋放,感應(yīng)出定子電壓所致。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（3）軟啟動與切換電流沖擊延時長,殘余電壓小,但速度降落大；延時短,殘余電壓大,但速度降落小,選擇延時時間需二者兼顧,以求得到最小的切換沖擊電流。1.系統(tǒng)介紹自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水 某市自來水二廠招標(biāo)，標(biāo)書提出的要求 設(shè)計

17、供水能力為6萬噸日； 城市管網(wǎng)壓力為0.4MPa； 泵組為3臺160kW、1臺90kW水泵； 要求恒壓供水并采用計算機(jī)控制； 變頻器或控制系統(tǒng)故障可由軟啟動器手動啟動各泵。2.應(yīng)用實(shí)例自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（1）計算機(jī)監(jiān)控的內(nèi)容 管網(wǎng)壓力、流量； 泵的運(yùn)行狀態(tài)、閥啟閉狀態(tài)； 電動機(jī)溫度； 各泵電動機(jī)電流、電壓、功率、功率因數(shù)； 水質(zhì)參數(shù)：包括余氯、濁度、含鐵量、PH值等。2.應(yīng)用實(shí)例自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（2）方案框圖本系統(tǒng)采用循環(huán)投切方式，備用系統(tǒng)用一軟啟動器和相關(guān)器件構(gòu)成，如圖2-6所示。2.應(yīng)用實(shí)例自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（2）方案框圖上位PC機(jī)用于管理，用組態(tài)軟件構(gòu)成若

18、干工藝流程圖，實(shí)時顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)，打印統(tǒng)計報表，還用于故障的報警與處理。PLC選用西門子S7-300，采用Profibus現(xiàn)場總線與總控室的計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。2.應(yīng)用實(shí)例自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水（2）方案框圖BP1為160kW變頻器DZ1為400A空氣開關(guān)FU1為500A、FU2為600A快速熔斷器KM1-KM10為為LG GMC-400交流接觸器PT為森納斯壓力變送器，量程為1MPa切換延時定為600ms，無明顯電流沖擊據(jù)廠家統(tǒng)計，節(jié)能20%，每年節(jié)約電費(fèi)10萬元2.應(yīng)用實(shí)例自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水圖2-7具有閉環(huán)調(diào)節(jié)功能的變頻器恒壓供水系統(tǒng)(10)(2)(5)(1)如果所用變頻器是FR-A700系列，則對應(yīng)的端子號如括號內(nèi)所示。啟用變頻器內(nèi)的PID調(diào)解器，需要對參數(shù)號Pr128-134進(jìn)行設(shè)定，詳見用戶手冊。自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水圖2-8 小區(qū)恒壓 供水系統(tǒng)產(chǎn)品自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水圖2-9 恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)品自動化工程應(yīng)用實(shí)例二恒壓供水圖2-10 由一臺變頻器和四臺水泵