自动化工程应用实例二-恒压供水

1、自动化工程应用实例自动化工程应用实例（二）（二）恒压供水系统恒压供水系统 由水泵由水泵- -管道供水原理可知，调节供水流量，原则上管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有两种方法：有两种方法： 1. 1.节流调节：开大供水阀，流量上升；关小供水阀，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。流量下降。水泵转速不变，浪费能量。 2. 2.转速调节：水泵转速升高，供水流量增加，转速转速调节：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。场合，节能效果明显。 一一、供水流量

2、调节原理供水流量调节原理1. 1.变频器闭环控制变频器闭环控制 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。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。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。得了广泛应用。二、变频器二、变频器 在恒压供水系统中的应用在恒压供水系统中的应用1. 1.变频器闭环控制变频器闭环

3、控制 不同品牌的变频器不同品牌的变频器端子名称不同。端子名称不同。图图2-1 变频恒压变频恒压 供水系统供水系统 图图2-12-1示出了一个恒压供水系统。水泵电动机示出了一个恒压供水系统。水泵电动机M M由变频器由变频器VFVF供电供电,SP,SP是压力传感器是压力传感器, ,其检测到的其检测到的压力信号作为反馈信号压力信号作为反馈信号XF被送到变频器的反馈被送到变频器的反馈信号输入端信号输入端(VPF)(VPF)。压力给定信号。压力给定信号XT从外接电从外接电位器位器RP上取出上取出, ,接到变频器的给定信号输入端接到变频器的给定信号输入端(VRF)(VRF)。 不同的变频器端子符号有所不同

4、。不同的变频器端子符号有所不同。变频器内置有变频器内置有PIDPID调节器，调节器的输出调节器，调节器的输出是频率给定。是频率给定。假设假设Q Q1 1是水泵输出的是水泵输出的“供水流量供水流量”, ,而而Q Q2 2是用户所需要的是用户所需要的“用水流量用水流量”, ,显然：显然： 如果如果Q Q2 2 Q Q1 1, ,则压力必减小则压力必减小, ,反馈信号反馈信号X XF F也随之减小；反之也随之减小；反之, ,如果如果Q Q2 2 Q Q1 1, ,则压力必增大则压力必增大, ,反馈信号反馈信号X XF F也随之增大也随之增大； 如果如果Q Q1 1= =Q Q2 2, ,则压力保持不

5、变则压力保持不变, ,反馈信号反馈信号X XF F也保持不变也保持不变, ,则水则水泵的泵的“供水流量供水流量”和用户的和用户的“用水流量用水流量”之间处于之间处于平衡状平衡状态；态； 变频器通过内部的变频器通过内部的PIDPID调节功能调节功能, ,不断地根据给定信号不断地根据给定信号XTXT与来自与来自SPSP的反馈信号的反馈信号XFXF之间的比较结果之间的比较结果, ,调整变频器的频调整变频器的频率率, ,从而调整电动机的转速从而调整电动机的转速, ,达到供需平衡达到供需平衡, ,使水压保持恒定。使水压保持恒定。 Q P(XF) PID fXtttt0 t1 t2 t3 t4图图2-2恒

6、压供水的调节过程恒压供水的调节过程(a)流量流量 (b)压力压力 (c)调节量调节量 (d)频率频率a)b)c)d) 0t1段：流量段：流量Q无变化无变化,压力压力P也无变也无变化化,PID的调节量的调节量PID为为0,变频器的变频器的输出频率输出频率fX也无变化；也无变化； t1t2段：流量段：流量Q增加增加,压力压力P有所下有所下降降,产生正的调节量产生正的调节量(PID为正为正),变频变频器的输出频率器的输出频率fX上升；上升； t2t3段：流量段：流量Q稳定在一个较大的稳定在一个较大的数值数值,压力压力P已经恢复到给定值已经恢复到给定值,调节调节量量PID=0,变频器的输出频率变频器的

7、输出频率fX停止停止上升；上升； t3t4段：流量段：流量Q减小减小,压力压力P有所增有所增加加,产生负的调节量产生负的调节量(PID为负为负),变频变频器的输出频率器的输出频率fX下降；下降； t4以后：流量以后：流量Q停止减小停止减小,压力压力P又恢又恢复到给定值复到给定值,调节量为调节量为0,变频器的输变频器的输出频率出频率fX停止下降。停止下降。 由于采用变频调速，该恒压供水系统可以节能，特由于采用变频调速，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。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，无须增加多数品牌通用变频器支持恒压供水功能，无须

8、增加任何硬件，也无须修改软件，只要适当设定变频器任何硬件，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（的工作模式与有关参数（PIDPID参数等）就可以了，参数等）就可以了，这是通用变频器众多功能当中的一个。这是通用变频器众多功能当中的一个。1. 1.变频器闭环控制变频器闭环控制 变频恒压供水系统由变频恒压供水系统由PLCPLC控制器、变频调速器、压力变送控制器、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，器、水位变送器、交流接触器和其它电控设备及泵组构成，如如图图2-32-3所示。所示。在供水系统总出水管上安装压力变送器。在供水系统总出水管上安装压力变送

9、器。PLCPLC具有模拟量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输入模块，可检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA4-20mA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算后，输出频率给定给变频器, ,达到调节电动机的转速，达到调节电动机的转速，保持供水压力的恒定的目的。保持供水压力的恒定的目的。2. 2.恒压供水恒压供水系统的组成系统的组成 蓄水池（小区水厂）蓄水池（小区水厂）交交流流接接触触器器PLC变频器变频器 4#4#泵泵3#3#泵泵2#2#泵泵1#1#泵泵 P P 压力信号压力信号

10、 液位信号液位信号市政供水管闸市政供水管闸 图图2-3 小区变频恒压供水系统框图小区变频恒压供水系统框图 出水管网出水管网返回10 PLCPLC自动检测水池水位信号并与设定的水位下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。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，如果供水系统配置一台变频器和多台水泵电机，PLCPLC还要自动完成多台水泵电机的投切。还要自动完成多台水泵电机的投切。2

11、. 2.恒压供水系统的组成恒压供水系统的组成 该系统有手动和自动二种工作方式。该系统有手动和自动二种工作方式。 （1 1）手动运行）手动运行 按下按钮，工频启动或停止水泵，可根据需要按下按钮，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控制泵的启、停。该方式主要供检修及变频器出故障时使用。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。压启动措施。3.3.恒压供水系统的工作原理恒压供水系统的工作原理 （2 2）自动运行）自动运行 合上自动开关后，系统自动变频启动合上自动开关后，系统自动变频启动1 1# #泵，

12、频率从泵，频率从0Hz0Hz开始上升，同时开始上升，同时PIDPID调节器接收到来自压力传感器的信号，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。直到率继续上升。直到 50Hz50Hz，此时如果压力仍达不到给定，此时如果压力仍达不到给定值，说明一台水泵不够，值，说明一台水泵不够，1 1# #泵由变频运行切换到工频运泵由变频运行切换到工频运行，然后变频启动行，然后变频启动2 2# #泵，逐渐升高频率至适当值，水压泵，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。达到给定值。多次加泵依次类推

13、。3.3.恒压供水系统的工作原理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，按自动运行方式正常后，系统自动恢复运行，按自动运行方式变频启动变频启动1#1#泵，重复上述操作，直到在给定水泵，重复上述操作，直到在给定水压值上稳定运行。压值上稳定运行。 变频自动运行无需软启动器。变频自动运行无需软启动器。？3.3.恒压供水系统的工作原理恒压供水系统的工作原理 使用外加的使用外加的PIDPID调解器完成闭环控制，如下图所调解器完成闭环控制，

14、如下图所示，外加的示，外加的PIDPID调解器可以是调解器可以是PLCPLC，如图，如图2-32-3所示；所示；也可以是专用的恒压供水控制器，如图也可以是专用的恒压供水控制器，如图2-52-5所示。所示。图图2-52-5 专用恒压供水系统控制器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，定值，以求最大限度的节能、节水、节地

15、、节资，使系统可靠运行，实现恒压供水。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。该项技术已经获得推广，是今后的发展方向。4. 4.总结总结 1. 1.系统介绍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。人工投切运行水泵的台数。以供水能力为以供水能力为4-64-6万吨万吨日的自来水厂为例，一种可日的自来水厂为例，一种可能的水泵配置为能的水泵配置为3 3台台160kW160kW和一台和一台90kW90kW的

16、水泵组成。的水泵组成。三、自来水厂循环投切三、自来水厂循环投切 变频恒压供水系统变频恒压供水系统1.1.系统介绍系统介绍传统的调节方法是，若供水量较大，流量和管传统的调节方法是，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，此时又泵；若供水量减小，管网水压会升高，此时又需人工切除水泵。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在深夜用水量较小时，用一台功率较小的水泵供水。供水。三、自来水厂循环投切三、自来水厂循环投切 变频恒压供水系统变频恒压供水系统1. 1.系统介绍系统介绍为避免为避免“水

17、锤水锤”效应，人工投切时，投入泵应遵效应，人工投切时，投入泵应遵循循“先开机，后开阀先开机，后开阀”，切除泵应遵循，切除泵应遵循“先关阀，先关阀，后停机后停机”的操作顺序。若是小功率的水泵，则水的操作顺序。若是小功率的水泵，则水泵的出水侧都装有泵的出水侧都装有“止回阀止回阀”。现在最常用的方法是变频恒压供水。现在最常用的方法是变频恒压供水。三、自来水厂循环投切三、自来水厂循环投切 变频恒压供水系统变频恒压供水系统 BP1 BU1 PLC PTM13M23M33M43 DZ1 DZ2 DZ3 DZ4 DZ5 DZ6KM3 KM5 KM7 KM9 RJ1 RJ2 RJ3 RJ4 KM2 KM4 K

18、M6 KM8KM1KM10FU1 FU2LRO1RO2RO3ZJ1ZJ2图图2-62-6 变频恒压供水循环投切方案系统图变频恒压供水循环投切方案系统图变频器变频器软启动器软启动器压力压力变送器变送器可编程可编程控制器控制器水泵水泵电机电机返回26返回24返回34（1 1）变频恒压供水系统的控制方案）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系统。定，最常用的方案是采用变频恒压供水系统。 即压力变送器装在主管网

19、上检测压力信号，再将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。构成构成压力闭环控制系统。1. 1.系统介绍系统介绍（1 1）变频恒压供水系统的控制方案）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，见可以采用的一种方案是循环投切，见图图1-61-6所所示。图中，示。图中，BP1BP1为变频器；为变频器；BU1BU1为软启动器，为软启动器，PTPT为压力变送器；为压力变送器；ZJ1 ZJ1 、 ZJ2ZJ2用于控制系统用于控制系统的启动的启动/ /停止和自动停止和自动/ /手

20、动转换开关。手动转换开关。1. 1.系统介绍系统介绍（1 1）变频恒压供水系统的控制方案）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，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，并由变频器的需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口输出端口RO1-RO3RO1-RO3输出信号给输出信号给PLCPLC，由，由PLCPLC控制控制切换过程。切换过程。1. 1.系统介绍系统介绍（1 1）变频恒压供水系统的控制方案）变频恒压供水系统的控制方案 切换开始时，变频器自由停车，第一台水泵切切换开始时，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

21、第二台水泵上启换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上启动并运行。动并运行。 如果需要继续加泵，将第二台水泵切换到工频如果需要继续加泵，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。运行，变频器连接到第三台水泵启动并运行。1. 1.系统介绍系统介绍（1 1）变频恒压供水系统的控制方案）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。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。再需要加泵时，切换从第三台水泵开始循环。1. 1.系统介绍系统介绍（1 1）变频恒压供水系统的

22、控制方案）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，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。检修带来方便。大部分供水厂钟情此方案。1. 1.系统介绍系统介绍（1 1）变频恒压供水系统的控制方案）变频恒压供水系统的控制方案 但是，必须设置一套备用系统，但是，必须设置一套备用系统，图图2-62-6中的软中的软启动器就是作为备用，当变频器或启动器就是作为备用，当变频器或PLCPLC故障时

23、，故障时，可用软启动器手动依次启动各泵运行，以保可用软启动器手动依次启动各泵运行，以保证供水不中断。证供水不中断。1. 1.系统介绍系统介绍（2 2）循环投切的工作过程）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。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，如果频系统启动后，变频器频率按设定斜率上升，如果频率升到了率升到了50Hz50Hz上限，运行上限，运行6060秒后管网水压未达到给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

24、换过定值，则该台水泵需要切换到工频运行。其切换过程如下：程如下：1. 1.系统介绍系统介绍 先关闭该台水泵电磁阀，然后变频器自由停车，水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，而是延时一电压，不能将电动机立即切换到工频，而是延时一段时间（约段时间（约600ms600ms），待残余电压下降到较小值后），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。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残余电压是由于切换时电机磁场能量通过转

25、子回路释放释放, ,在定子上感应出电压所致。在定子上感应出电压所致。1. 1.系统介绍系统介绍（2 2）循环投切的工作过程）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关阀后停车，水泵电动机基本上处于空载运行状态，到状态，到600ms600ms时，电动机的转速下降不是很时，电动机的转速下降不是很多，使切换时冲击电流较小。多，使切换时冲击电流较小。1. 1.系统介绍系统介绍（2 2）循环投切的工作过程）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。换到另一台水泵上启动并运行，打开电磁阀。

26、 切除工频泵时，先关阀，后停车，这样无切除工频泵时，先关阀，后停车，这样无“水水锤锤”现象发生。现象发生。 这些操作都是由这些操作都是由PLCPLC操作自动完成的。操作自动完成的。1. 1.系统介绍系统介绍（3 3）软启动与切换电流冲击）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行系变频器故障或检修时可以使用手动方式运行系统。鉴于供水系统水泵电机一般功率较大，不统。鉴于供水系统水泵电机一般功率较大，不宜直接手动启动，需要采用星宜直接手动启动，需要采用星- -三角、自耦变压三角、自耦变压器降压或软启动器启动。器降压或软启动器启动。1. 1.系统介绍系统介绍（3 3）软启动与切换电

27、流冲击）软启动与切换电流冲击 自耦变压器降压启动时先加自耦变压器降压启动时先加60%60%的额定电压，的额定电压，延时数秒或数十秒钟后，再切换到全电压，可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。以有效地减小启动电流的冲击。1. 1.系统介绍系统介绍（3 3）软启动与切换电流冲击）软启动与切换电流冲击 电动机从变频向工频切换电动机从变频向工频切换, ,只要切换延时时间适只要切换延时时间适当（如前述当（如前述600ms600ms）, ,冲击电流不会很大。冲击电流不会很大。 电动机残余电压的衰减时间一般为电动机残余电压的衰减时间一般为1-21-2秒。电机秒。电机磁场能量通

28、过转子回路释放磁场能量通过转子回路释放, ,感应出定子电压所感应出定子电压所致。致。1. 1.系统介绍系统介绍（3 3）软启动与切换电流冲击）软启动与切换电流冲击 延时长延时长, ,残余电压小残余电压小, ,但速度降落大；延时短但速度降落大；延时短, ,残残余电压大余电压大, ,但速度降落小但速度降落小, ,选择延时时间需二者选择延时时间需二者兼顾兼顾, ,以求得到最小的切换冲击电流。以求得到最小的切换冲击电流。1. 1.系统介绍系统介绍 某市自来水二厂招标，标书提出的要求某市自来水二厂招标，标书提出的要求 设计供水能力为设计供水能力为6 6万吨万吨日；日； 城市管网压力为城市管网压力为0.4

29、MPa0.4MPa； 泵组为泵组为3 3台台160kW160kW、1 1台台90kW90kW水泵；水泵； 要求恒压供水并采用计算机控制；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变频器或控制系统故障可由软启动器手动启动各泵。各泵。2. 2.应用实例应用实例（1 1）计算机监控的内容）计算机监控的内容 管网压力、流量；管网压力、流量； 泵的运行状态、阀启闭状态；泵的运行状态、阀启闭状态； 电动机温度；电动机温度； 各泵电动机电流、电压、功率、功率因数；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、水质参数：包括余氯、浊度、含铁量、PHPH值等。值等。2. 2.应用实例应用实例（2 2）方案框图）方案框图 本系统采用循环投切方式，备用系统用一软启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件构成，如动器和相关器件构成，如图图2-62-6所示。所示。2. 2.应用实例应用实例（2 2）方案框图）方案框图 上位上位PCPC机用于管理，用组态软件构成若干工艺机用于管理，用组态软件构成若干工艺流程图，实时显示系统的运行状况，并统计历流程图，实时显示系统的运行状况，并统计历史数据，打印统