多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统.docx
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多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统
多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统
陈成勇
(西门子(中国)有限公司,上海200120)
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
中罔分类号:
TM921.51文献标识码:
B文章编号:
1003—7241(2010)01—0ll405
VariableFrequencyAdjustableSpeedSystemAppliedtoConstant
PressureWaterSupplyforManyPumpS
CHENCheng-yong
(Siemens(China)Co.Ltd.,Shanhai200120China)
Abstract:
Variablefrequencyadjustablespeedisadooptstoadjusttherevolutionsoraddsubstractnumberofpumpsisdiscussed
inthispaper.Itcanfulfilsoftstartingandselfstartingswitchoverwithoutswashautomaticallyandletthehydraulic
pressuretransitssmoothly.Thesystemstillcanrunduringthefrequencyconverterisintrouble,andensurethewateris
stillcontinued.Thesystemcanselfstartafterpoweroutisrecovered.Thispaperillustratethecompositionofhardware,
designofsoftware,workingprinciple,operatingmode,parameters’settingofthesystemindetail.Thesystemadopts
Mitsubish’SPLCandSiemens’frequencyconvertertorealizethefunctiondemanded.
Keyword:
constantpressurewatersupply;variablefrequencyadjustablespeed;watersupply;PLC
1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。
2系统概述
(一)传统的供水方式:
1.水箱/水塔供水一重力供水这种方式供水压力
收稿日期:
2009—08—13
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
费用引。
(二)恒压供水变频调速系统:
其控制框如图1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
经比较送人调节器,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。
3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退出并
联供水。
为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击。
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。
在退出时,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退出,并联泵退出的顺序按先投
入先关泵退出的原则由恒压控制系统实现。
4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/0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I引。
(二)工作原理
图3恒压供水系统的变频器主回路图
图3中Qo为总电源进线断路器、Qo1为变频器的电
源进线断路器、Q1、Q2、Q3为t#、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.KM!
、KM2、KM3为泵l#、
2#、3#变频接触器。
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M3Ij晰
图4恒压供水系的变频器外部接线图[6]
回路设计:
变频器的接线见图3,变频器10,l1端子
是模拟量输入端El。
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
KAl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4,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。
图5MICROMASTER440方框图
开始工作时,l#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。
下豫顿率
图6各泵工作状态时序图
5PLC程序设计
表1PLC输入、输出分配表
输入定义号注髯输出定义号注释
Xo01变频器下限须率输入信号T∞ll#泵交频运行接触嚣
X∞2变颓器上限频率输入信号Y002l#泵工频运:
f亍接虹嚣
X003手动/自动选择开关T0032#泵变频运行接触嚣
lx0041辞泵手动运行允许输入信号?
∞42#泵工频运行接触嚣
『x0052#泵手动运行允许输入信号T∞53#泵变频运干亍接触嚣
x0063#泵手动运千亍允许输入信号Y0063#泵工频运行接触譬
Y007变鞭切羲停止缝电嚣
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l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。
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图7PLC输入、输出接线图
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。
+24V
手动连箨Hl手葡I‘2手动■3手辅
a003)值oo●)O口5)(1006)
图8转换开关接线图
(下转第123页)
6变频器参数设定(表2)
表2变频器参数设定
1.PO010=O(准鲁运行)10.P0732=53.2(低于量小频率)赣宇输出2
I2.POIO0=O(工作地区50HZ)I1.P昕33=50^(己选列最大频率)教宇输出3
lP0304=380(电动机的顿定电压)12PIOOO=3(簸率设定值帕选择)
4.F0305=36(电动机白口顿定电I】13.P1080=15(电动机的最小顿率)
5.PO3PT=l8.5(电动机的餐定功率)14-P1082:
5o(电动机的量大叛率)
6.P0310=50(电动机的额定频率)15.PII20=IO(斜坡上升时问)
7.P0311=1470(电动机的舞定速度)16.PII21=IO(辩墟下降时同)
8.P0700=O(选择命令源)17.P2253=755ID设定值信号源)
童P0701=l(接通正转/bPPl命令)18.F2264=7~ID反馈信号)
7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一
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1.52倍为54.1A,所以选取
QlQ3具体型号:
3VL2706-1AE33-0AA0.Q01
(五)接触器和继电器选型:
KM1KM6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:
3TF4722一OXBO.继电器具体型号:
3TH4022—
0XB0
8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[EB/OL】.http:
//www.
asklight.com/article/Folder9/200746/60534.Htm1.
[2]基于PLC的新型变频调速恒压供水系统[EB/OL].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[EB/0L】.
http..//www.jd37.com/tech/200810/39839.html,2008,10.
【4】张燕宾主编.变频调速应用实践[M】.北京:
机械工业出
版社,2000.
[5]陈勇,陈亚爱主编.电机与拖动基础[M】.北京:
电子工业
出版社,2007,5.
[6]西门子MICROMASTER440型产品样本IS].DA51.
2,2002.
作者简介:
陈成勇(1970一),男,助理工程师,技师,研究方
向:
变频器和伺服运动等驱动控制。
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