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1、“一拖三”变频改造方案实现厂区恒压供水摘要针对原供水系统存在的问题，对生产区循环加压泵供水系统进行了变频技术改造，以降低 成本，提高供水质量及工作效率。关键字变频器；水泵；恒压供水；改造1概述中铝青海分公司供水加压泵站由一、二期泵站构成，共计有加压泵10台套，一、二期各5台套，每年供 水600多万t。正常情况下，两个独立控制的泵站的水泵均为三用两备运行状态。1.1设备现状一期泵站1986年投产，巳连续运行20年。5台水泵型号为150S78A，流量为144 m3/h，扬程为62 m， 配用电机型号为JO2-82-2，功率为40 kW ；二期泵站1990年8月投产，巳连续运行16年。5台水泵型 号
2、为6SH-6A，流为量180 m3/h，扬程为55 m，配用电机型号为JO2-82-2，功率为45 kW。1.2存在问题1）水泵运行年限较长，设备严重老化，故障率高。由于没有相应的备品备件供应，所以维修困难。巳影响 平稳供水，对分公司安全生产构成威胁。2）JO2系列电机是非节能产品，是属国家明令淘汰的电机产品。3）由于用水量不稳定，水压忽高忽低，水压高时易使供水管网破裂，水压低时不能满足生产生活需要。所 以必须及时调整水泵水压，但由于水泵控制分散在两个控制室，造成水泵水压调整不便。4）由于是两个泵站，所以必须有两组人员看守、操作泵站，存在人力浪费现象。2改造方案在基本保持原有加压泵站的功能和出
3、力大小的情况下，将原有的10台套水泵对应更换为ISO系列，流量 为150耀180 m3/h，扬程为62 m的新水泵，安装位置与旧水泵对应。配用电机型号为Y系列2极，功 率为45 kW。废弃原有水泵的控制系统，对10台新水泵实施集中控制。对其中7台水泵实施工频控制； 对剩余的3台水泵实施“一拖三”的变频控制，实现水压的自动控制调节。正常情况下，要求以工频控制的 水泵运行4台，备用3台；如果厂区用水量有大幅度的变化，可多开或少开工频控制的水泵，但不管那种 情况，都同时投运巳实施“一拖三”的变频控制水泵系统，并尽可能使3台变频控制的水泵保持在一工频运 行、一变频运行、一备用的状态，以达到自动调节管网
4、的水压，实现恒压供水的目的。本文针对改造方案中提出的“一拖三”的变频控制方案，从电气设计的角度进行了较为全面的论证，说明了 该方案的可行性。3恒压供水系统工作原理恒压供水控制系统将主要由PLC、PID、变频器、切换继电器、压力传感器等部分组成。为了维持供水管 网的压力不变，必须在系统的管道上安装压力变送器作为反馈组件来为控制系统提供反馈信号。由于供水 系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制， 而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。变频器选择FRN45P11S-4CX或FRN55P11S-4CX ，可编程控制器选择日本松下FP
5、1-C40型。控制核心单元PLC根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号，得到压力偏差和压力偏差的变化 率，经过PID运算后，PLC将05V的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软 启动；PLC通过比较模拟量输出与压力偏差的值，驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的水泵电机台 数，在大范围上控制供水的流量，同时完成电机的启停、变频与工频的切换。PID调节器控制变频器对变 频泵进行速度调节，在小范围上控制供水的流量。这样，从投入电机台数和控制电机中某一台电机的转速 而达到恒压供水的目的。4电气设计4.1系统程序设计系统程序包括启动子程序和运行子程序，分别如图1,图2所示。
6、4.2主电路设计该系统主电路如图3所示。当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压 值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指定下一台泵为变频泵；同样的道理，当水压在所 设定的时间内保持恒定，且变频器的输出频率低于30 Hz时，则退出一台工频运行的给水泵。罕）亶用变频运电杭工拒运斤一、梢机,购f楚时加|. ，.口 厂.W1 矗 I * |，电机宠频运行V神塞Mi聃图2模椒调节姬顼框图4.3控制电路设计控制电路包括继电器控制电路及PLC控制电路，PLC控制电路原理如图4所示。图中SA7为手动/自动控制转换开关，SA8为自动起膺控制转换开关，P1、P2为管网压力信
7、号（PID输 出信号），SA1为1#水泵手动起动开关，SA2为1#水泵手动停止开关，SA3为2#水泵手动起动开关， SA4为2#水泵手动停止开关，SA5为3#水泵手动起动开关，SA6为3#水泵手动停止开关，KA0耀KA6 为中间继电器，分别控制KM0耀KM6工作。4.4系统工作过程可编程控制器在工作过程中的输入、输出信号的符号及功能如表1所列。4.4.1系统的启动加上启动信号（X4 ）后，此信号被保持，当条件满足（即X2亮）时，开始启动程序，由PLC控制1#电 机变频运行（Y1、Y0、Y7亮），同时定时器T0开始计时（10 s），若计时完毕X2仍亮，则关闭Y1、 Y0（Y7仍亮），T1延时1
8、s延时是为了 :一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器; 二是让变频器减速为0，以重新启动另一台电机。延时完毕，1#电机投入工频运行，2#电机投入变频运行， 此时Y2、Y3、丫0、Y7亮，同时定时器T2开始计时（10 s）若计时完毕X2仍未灭，则关闭Y3、Y0（Y2、 Y7仍亮），T3延时1 s,延时完毕，将2#机投入工频运行，3#电机投入变频运行（此时Y2、Y4、Y5、 Y0、Y7亮），再次等待Y7灭掉后，则整个启动程序执行完毕，转入正常运行调节程序，此后启动程序 不再发生作用，直到下一次重新启动。在启动过程中，无论几台电机处于运行状态，X2 一旦灭掉，则应 视为启动结束（Y
9、7灭掉），转入相应程序。综合整个启动过程，要完成3台电机的启动最多需要22 s。%工融!*YkCOMOXIVOVIX52万】。Y4XIIX12X13*XU蓦i 一图4 回一匚控制电踏原理图SXA未1可瑁程控制器部会新入J输出信号符号及功能愉人信号功旋愉出信号功能xo模招调伸上限（减电机）Y0KAO幼徊控制变携臼停:XI模拟调tr上国YIKA1动作（控制广电机变骤运!X2.模拟调节F限Y2K杖幼作（控制1电机工频运!X3横捣调药下眼（册殂机）口KA3幼作（控制21电机变-远X4Y4动作（控制丁电机工墉远!X5复位Y5KA5动作（控制3,电机变竦容Xfi祇速到言与输入Y6K柘动作（控制3*电机工胸
10、远!X7更低速荆讷信岑输人Y7ffi制变靛器）输出启动XK高速到达信号输入Y81. er枷颁 精）输H雁速W !J2i.dX9归商速0送信号痼人Y9.（控制爰巍器）输出更低速（成金4.4.2模拟调节运行过程中，若模拟调节期间上、下限值均未达到（即XI、X2灭），则变频器处于模拟调节状态（此时 相应电机运行信号和Y0亮）。若达到模拟调节上限值（XI亮），则定时器T4马上开始定时（3 s），定时过程中监控XI，若X1又灭， 则关闭定时器，继续摸拟调节；若T4定时完毕，X1仍亮，则启动输出低速（Y8亮），进行多段速调节， 同时定时器T5开始定时（3 s）。定时完毕，若X1仍亮，则关闭此多段速，启动输
11、出更低速（Y9），同 时定时器T6定时（如10 s），定时完毕，若X1仍亮，则关掉Y9，此后X0很快会通，转入切换动作程 序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X0亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行切换动 作，即转入切换程序，同样，若无论何时，X1灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。若达到模拟调节下限值（X2亮），则定时器T7马上开始定时（3 s），定时过程中监控X2，若X2又灭， 则关闭定时器，继续摸拟调节，若T7定时完毕，X2仍亮，则启动输出高速（Y9），进行多段速调节，同 时定时器T8开始定时（3 s），定时完毕。若X2仍亮，则关闭此多段速，启动输出更高速（Y8），同
12、时 定时器T9定时（如10 s），定时完毕。若X2仍亮，则关掉Y9，此后X3很快会通，转入加电机动作程 序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X3亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行加电机 动作，即转入加电机程序。同样，若无论何时X2灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。4.4.3电机切换电机切换程序分为电机切除程序和加电机程序两部分。电机切除程序动作的条件是：启动结束后无论何时 X0亮，一旦条件满足，即由PLC根据电动机的运行状态来决定切换相应电机，切换时只能切换工频运行 电机。若工作状态是一台变频一台工频，则立即切除工频电机，然后计数值减1，即完成此过程，再由调节程序 运行
13、，调节至满足要求为止。若3台电机同时工作，则应由PLC来决定切除相应的工频运行电机。切除依据是3台电机对应计数器的 大小，谁大切谁，切除掉一台后，要由定时器定时（如5 s）等待，以便变频器调节一段时间，防止连续切 除动作。这主要是考虑到本系统的非线性和大小惯性因素而采取的措施。加电机程序，其动作程序是：启动结束后无论何时X2亮，一旦条件满足（X3亮），立即关掉变频运行电 机和变频器，延时一段时间后（原因同上），将原变频运行电机投入工频运行，同时打开变频器和将要启 动电机的变频开关，完成加电机过程。同样，若原有2台电机工频工作，则X3 一亮，立即开始加另一台电机（无延时），加电机依据是判断计 数
14、值，谁小加谁。但加电机完成以后，定时器要开始定时（如5 s）等待，让变频器调节一段时间，防止连 续加电机动作。5系统主要性能与特点1）由于供水管网系统较大，致使管网末端水压严重滞后出口压力，所以系统的一个显著特点是管网末端水 压变化较大，不利于实现恒压精确控制。2）变频器对电机进行软启动，减少了设备损耗，延长了电机寿命。3）具有自动、手动及异地操作功能。4）智能化控制，可任意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID值、 加减速时间等）。5）具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断电等故障均能自行诊断并报警。6结语水泵变频改造前，一、二期平均每天各运行2台水泵，年耗电150万kWh，改造实施后，年耗电85万 kWh，每年仅节约电费达26万元，所以此次设备投入费用在短期内可回收成本。
