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1、自动化工程应用实例 （二） 恒压供水系统 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。 一、供水流量调节原理 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。 二、变频器 在恒压供水系
2、统中的应用 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 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。 变频器内置有PID调节器，调节器的输出 是频率给定。 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Q2Q1,则压力必减小,反馈信号XF也随之减小；反之, 如果Q2Q1,则压力必增大,反馈信号
3、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。 Q P(XF) PID fX t t t t 0 t1 t2 t3 t4 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 a) b) c) d) 0t1段：流量Q无变化,压力P也无变 化,PID的调节量PID为0,变频器的 输出频率fX也无变化； t1t2段：流
4、量Q增加,压力P有所下 降,产生正的调节量(PID为正),变频 器的输出频率fX上升； t2t3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PID=0,变频器的输出频率fX停止 上升； t3t4段：流量Q减小,压力P有所增 加,产生负的调节量(PID为负),变频 器的输出频率fX下降； t4以后：流量Q停止减小,压力P又恢 复到给定值,调节量为0,变频器的输 出频率fX停止下降。 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
5、（PID参数等）就可以了， 这是通用变频器众多功能当中的一个。 1.变频器闭环控制 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。 2.恒压供水系统的组成 蓄水池（小区水厂） 交 流 接 触 器 PLC 变频器 4#泵 3#泵 2#泵 1#泵 P P 压力信号 液位信号 市政供
6、水管闸 图2-3 小区变频恒压供水系统框图 出水管网 返回10 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。 2.恒压供水系统的组成 该系统有手动和自动二种工作方式。 （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。 3.恒压供水系统的工作原理 （2）自动运行 合上自动开关后，系
7、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。 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。？ 3.恒压供水系统的工作原
8、理 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 。 图2-5 专用恒压供水系统控制器 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。 4.总结 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
9、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。 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。 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。 三、自来水厂循
10、环投切 变频恒压供水系统 BP1 BU1 PLC PT M1 3 M2 3 M3 3 M4 3 DZ1 DZ2 DZ3 DZ4 DZ5 DZ6 KM3 KM5 KM7 KM9 RJ1 RJ2 RJ3 RJ4 KM2 KM4 KM6 KM8 KM1KM10 FU1 FU2 L RO1 RO2 RO3 ZJ1 ZJ2 图2-6 变频恒压供水循环投切方案系统图 变频器软启动器 压力 变送器 可编程 控制器 水泵 电机 返回26返回24 返回34 （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
11、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。 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。 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。 1.系统介绍 （1）变频恒压供水系统的控制方案 切换开
12、始时，变频器自由停车，第一台水泵切 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。 1.系统介绍 （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。 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 。 1.系统介绍 （1）变频恒压供水系统的控制方案 但是
13、，必须设置一套备用系统，图2-6中的软 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。 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 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： 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600
14、ms），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。 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。 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 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。 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
15、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。 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。 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 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。 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。 1.系统介绍 某市自来水二厂招标，标书提出的要求 设计供水能力为6万吨日； 城市管网压力为0.4MPa； 泵组为3台160kW、1台90kW水泵； 要求恒压供水并采用计算机控制； 变频器或控制系统故障可由软启动器手动启动 各泵。 2.应用实例 （1）计算机监控的内容 管网压力、流量； 泵的运行状态、阀启闭状态； 电动机温度； 各泵电动机电流、电压、功率、功率因数； 水质参数：包括余氯、浊度、含铁量、PH值等。 2.应用实例 （2）方案框图 本系统采用循环投切方式，备用系统用一软启 动器和相关器
