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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