多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统设

多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统
摘要:本文采用变频调速方式自动调节水泵转速或加、减泵。自动完成泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供水。系统断电恢复后可自启动。并详细说明系统硬件构成、软件设计、工作原理、运行方式、参数整定等.系统主要采用三菱PLC和西门子变频,来实现所需要的功能.
关键词：恒压供水;变频调速;水泵; PLC

Many pumps circulate and surely exchange the permanent pressure water supply frequency conversion velocity modulation system voluntarily
Abstract: Introduce that the permanent pressure feed water systems baseding on PLC of one kind of replacement water tower water supply forms and the work principle. The system adopts the frequency conversion velocity modulation method autocontrol water pump electrical machinery to rotate speed or adds and subtracts the pump. That the change is before " after opening first stops " the method, and accomplishes that the pump group soft(ly) starts and does not have lashing surely exchanges, and makes the smooth and steady transition of hydraulic pressure voluntarily. The system still can run during the frequency converter trouble, and the guaranty is not disconnected water supply. The system can start certainly after stopping providing electricity to recover.
The keyword: permanent pressure water supply; The frequency conversion velocity modulation; The water pump;  PLC

引言
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.
 
一. 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：
其控制框图1如下所示。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。
 

图1 恒压供水系统的系统图
(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]
二.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超出并联供水.为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击.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.在超出时,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超出,并泵超 出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制。
三.系统工作原理
(一) 系统结构
 

图2 恒压供水系统的工作原理图
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4～20mA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4～20mA参数，4～20mA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 恒压供水系的变频器外部接线图[6]  
 

图4 MICROMASTER 440方框图

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KA1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3.2，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。
 

图5 各泵工作状态时序图
四.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KM1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1S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。
输入定义号 注释 输出定义号 注释
X001 变频器下限频率输入信号 Y001 1#泵变频运行接触器
X002 变频器上限频率输入信号 Y002 1#泵工频运行接触器
X003 手动/自动选择开关 Y003 2#泵变频运行接触器
X004 1＃泵手动运行允许输入信号 YOO4 2#泵工频运行接触器
X005 2＃泵手动运行允许输入信号 Y005 3#泵变频运行接触器
X006 3＃泵手动运行允许输入信号 Y006 3#泵工频运行接触器
  Y007 变频切换停止继电器
表1  PLC输入、输出分配表

图6 PLC输入、输出接线图

图7. 转换开关接线图
五.变频器参数设定(表2)
1.    P0010=0 (准备运行) 10.P0732=53.2 (低于最小频率) 数字输出2
2.    P0100=0 (工作地区50HZ) 11.P0733 =52.A(已达到最大频率)数字输出3
3.    P0304=380 (电动机的额定电压) 12.P1000=3 (频率设定值的选择)
4.    P0305=36 (电动机的额定电流) 13.P1080=15 (电动机的最小频率)
5.    P03P7=18.5 (电动机的额定功率) 14.P1082=50 (电动机的最大频率)
6.    P0310=50 (电动机的额定频率)  15.P1120=10 (斜坡上升时间)
7.    P0311=1470  (电动机的额定速度) 16.P1121=10 (斜坡下降时间)
8.    P0700=0 (选择命令源) 17.P2253=755 (PID设定值信号源)
9.    P0701=1 (接通正转/OFF1命令) 18.P2264=755 (PID反馈信号)
六. 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18.5KW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54.1A,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
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:
[1]  变频调速给水的基本原理[N]
http://www.asklight.com/article/Folder9/200746/60534.Html

[2]基于PLC的新型变频调速恒压供水系统[N]

http://www.autooo.net/Html/INV/Inv-Case/2007-3/18/0731819409.html
[3]PLC及变频调速技术在泵站恒压供水中的应用[N]          

http://www.jd37.com/tech/200810/39839.html，2008年10月 14日

[4] 张燕宾主编 变频调速应用实践[T] 机械工业出版社2000年
[5]陈勇 陈亚爱主编 电机与拖动基础[T] 电子工业出版社2007年5月第一次印刷
[6]西门子MICROMASTER 440型产品样本[S].DA51.2﹒2002

作者简介
   陈成勇  男  学历：本科   西门子（中国）有限公司  职称：工程师  高级技师
出生:1970年12月 研究方向:变频器和伺服运动等驱动控制