變頻器與PLC在微機控制變頻調速給水設備供水中的應用
變頻器與PLC在微機控制變頻調速給水設備供水中的應用
1.微機控制變頻調速給水設備概述
微機控制變頻調速給水設備恒壓供水控制系統的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與可編程控制器（PLC）構成控制系統，進行優化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發出控制指令，控制泵電動機的投運臺數和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值上。
隨著電力電子技術的發展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發展。進入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發展。作為應用現代電力電子器件與微計算機技術有機結合的交流變頻調速裝置，隨著產品的開發創新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發生一場巨大的技術革命。目前自動恒壓供水系統應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統的控制裝置采用PLC控制器，因PLC不僅可實現泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統的數字PID調節功能，可對系統中的各種運行參數、控制點的實時監控，并完成系統運行工況的CRT畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統具有標準的通訊接口，可與城市供水系統的上位機聯網，實現城區供水系統的優化控制，為城市供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經濟運行的手段。
2.微機控制變頻調速給水設備控制方案
在住宅小區水廠的管網系統中，由于管網是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網中壓力較不利點的壓力損失ΔP和流量Q之間存在著如下關系：
ΔP=KQ2；
式中K—為系數
設PL為壓力較不利點所需的較低壓力，則泵站出口總管壓力P應按下式關系供水，則可滿足用戶用水的要求壓力值，又有較好的節能效果。
P=PL+ΔP=PL+ KQ2；
因此微機控制變頻調速給水設備供水系統的設定壓力應該根據流量的變化而不斷修正設定值，這種恒壓供水技術稱為變量恒壓供水，即供水系統較不利點的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續可調。
典型的自動恒壓供水系統的結構框圖如圖1所示；系統具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉換為電信號，輸入至可編程控制器（PLC）的輸入模塊，信號經CPU運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出就 的運行工況參數，由系統的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制泵站投運水泵的臺數及變量泵的運行工況，并實現對每臺水泵根據CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統可根據用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環運行，以提高系統的穩定性及供水的質量。
3.微機控制變頻調速給水設備系統功能
該系統選用國產中源變頻器。該系統中具有功能：
3.1自動切換變頻/工頻運行功能
變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：
方式0：基本工作方式。變頻器始終固定驅動一臺泵并實時根據其輸出頻率：控制其他輔助泵啟停。即當變頻器的輸出頻率達到較大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到較小頻率時則停止 然后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數。
方式1：交替方式，變頻器通常固定驅動某臺泵，并實時根據其輸出頻率，使輔助泵工頻運行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵1→泵2，當變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變為泵2→泵1。
方式2：直接方式。當啟信號輸入時變頻器啟動第，一臺泵當該泵達到較高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止較先啟動的泵。
3.2 PID的調節功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號（4-20MA或-5V）直接送入PLC的A/D口（可以通過手持編程器），設定給定壓力值，PID參數值，并通過PLC計算何以需切換泵的操作完成系統控制，系統參數在實際運行中調整，使系統控制響應趨于完整。
3.3“休眠”功能
系統運行時經常會遇到用戶用水量較小或不用水（如夜晚）情況，為了節能，該系統專用設置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下限時，變頻器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止（處于休眠狀態）。當水壓繼續升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉2＃泵或3＃泵，當頻率到達一定值后將啟動1＃泵調節2?；?＃泵的轉速。
“休眠值”變頻器輸出的下限頻率F507設置。
“休眠確認時間”用參數F506設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間如小于休眠時間td時，即td＜tn時變頻器繼續工作，當td＞tn時變頻器將進入休眠狀態。
“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當供水壓力低于下限值時由PLC發出指令喚醒變頻器工作。
經測試“休眠值”為10HZ。
“休眠確認時間”td:20s
“喚醒值”70%
3.4通訊功能
該系統具有計算機的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口PLC可選用西門子的S7-200PLC或三菱FX可編程控制器可以與一套或多套系統進行通訊，利用計算機同時可以監測：電流、電壓、頻率、轉速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數。
此外該系統還具有手動/自動操作，故障報警，運行狀態，電流，電壓、頻率狀態顯示缺水保護等功能。
4.微機控制變頻調速給水設備運行特征
以三臺水泵的恒壓供水系統為例，系統在自動運行方式下，可編程控制器控制變頻器軟啟動1#泵，此時1#泵進入變頻運行狀態，其轉速逐漸升高，當供水量Q<1/3Qmax時（Qmax為三臺水泵全部工頻運行時的較大流量），可編程控制器CPU根據根據供水量的變化自動調節1#泵的運行轉速，以保證所需的供水壓力。當用水量Q在1/3Qmax
當外供水量減少至1/3Qmax
5.微機控制變頻調速給水設備系統經濟效益分析及系統優點
5.1經濟效益分析
變量泵的功率N1、供水量Q1與泵轉速n 1三者的關系如下式：
N1/Q1=（n 1/n）3 Q1/Q= n 1/n
式中Q—額定流量，Q1
因額定流量Q=99.99999%時，n=99.9999%，N=99.99999%，若n 1=90%n時Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可節電27.1%。若n 1=80%n時Q1=80%Q，N1=51.2%N，即可節電48.8%。
5.2系統優點
5.2.1恒壓供水技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。
5.2.2由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。
5.2.3因實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。
5.2.4水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統的喘振。
5.2.5由于變量泵工作在變頻工作狀態，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過程中可節約可觀的電能，其經濟效益是十分明顯的。由于其節電效果明顯，所以系統具有收回投資快，而長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大。
中贏微機控制變頻調速給水設備產品功能介紹
穩壓、保壓小流量停機功能：
供水根據用戶設備需要增設小流量停機保壓系統，設備在正常工作時，在小流量狀態可實現設備保壓停機，以保證設備較大限度的節能。設備還可以配備氣壓罐，充分利用氣壓體的緩沖能力，有效的對于停機水錘進行緩沖，較大限度的減少了停機水錘對用戶管網的破壞。
微機控制變頻調速給水設備專業廠家與非專業廠家產品對比
中贏供水是怎么做產品的：
1、首先有一套產品質量控制流程體系（附1）：
從生產原材料，生產過程記錄，備案，存檔到出廠進得嚴格測試，試驗平臺都是在一整套體系下進行的。
2、以節能為目的：運用了效率提升技術，小流量保壓技術，低阻力止回蝶閥組。流道擴大，阻力減小一倍。
3、穩定：出水壓力的穩定（三項壓力穩定措施），產品的穩定（工業級管閥，國準法蘭，內外雙重焊接工藝，穩流補償罐環縫焊拋光處外加加強條保護。控制柜內主要元器件與供應商有著戰略合作伙伴關系。軟件設計上重要功能雙保護設計，更運用了故障自診斷，容錯及應急方式等設計），保證產品在使用壽命期的安全與穩定。
噪音方面：是否融合了降噪技術，使水泵噪音及控制柜內噪音降到較低
出廠檢驗方面：出廠檢驗全部通過中贏自主開發設計的大型實驗平臺(總流量在300方以下進行產品功能性實驗)進行測試
一般廠家是怎么做的：
1、只能保證產品能用。
2、簡單拼裝。
3、無核心技術。
4、出廠小流量進行帶負載試驗，大流量的無法進行，因為無大型實驗平臺
5、不會考率噪音及節能方面的問題，以至于設備到現場，噪音大，耗能高。
不銹鋼微機控制變頻調速給水設備
不銹鋼微機控制變頻調速給水設備一般由緩沖罐、水泵機組、氣壓罐控制柜及控制儀表組成，各部分說明如下：
a、緩沖罐：是接在設備入口處的氣壓罐，簡稱緩沖罐，給水運行時罐內部分容積為壓縮空氣，靠壓縮空氣的貯能，對各種突變沖擊具有很好的減緩消除作用，同時對市政供水具有一定動態補償作用。
有兩種不同結構的緩沖罐，隔膜緩沖罐采用 橡膠隔膜材料，因 全密閉更有利于保持水質標準，普通鋼制緩沖罐內壁涂有符合衛生標準的防腐涂料，但補氣時會與外界空氣接觸。
緩沖罐即可串接使用 (如圖2-1所示)，也可并接使用(進出水為同一管道，作為分支與市政管路相接，如圖2-2所示)
b、水泵機組：選用中贏公司具有非過載特性的水泵，其工作特性可以適應水源的較大范圍內的壓力變化，不會產生過載現象。
c、氣壓罐：其作用與通常2次增壓供水設備中的氣壓罐相同，本系列標準產品采用的隔膜式微型氣壓罐，主要利用其保壓功能，有利于設備的智能化自動節能控制。
d、變頻控制柜：可采用全變頻控制系統，即所有水泵均采用變頻調速拖動，也可采用部分變頻控制系統(樣本標準產品只有1臺泵為變頻調速拖動)。
e、旁通管路：如果市政供水平時能夠滿足水壓要求，僅在供水高峰時壓力不足，可加載旁通管路，可使市政下拉供水與增壓供水實現自動切換運行。
(1)當市政管網高壓時，設備處于停機狀態，市政水源過緩沖罐、旁通管路直接向用戶管網供水。
(2)當市政管網欠壓時，設備自動啟動，在原不水壓基礎上變頻調速增壓(恒壓)供水，由于是按“差多少，補多少”的原則增壓，所以在全流量范圍即滿足了用戶恒壓供水的需求，同時又實現了高效節能運行。運行過程中密閉的緩沖罐相當一段管路，新鮮衛生的自來水不斷流過水源罐，不會遭受外界污染。
(3)供水設備運行中，緩沖罐部分容積為壓縮空氣(其壓力與市政水壓相同)，因而貯存了一定壓力勢能，靠此貯能可大大減緩各種沖擊對市政水源的影響，同時對市政供水具有動態的削峰補償作用。當市政服務壓力從P2降至P1時，緩沖罐提供的較大補償水量與緩沖罐總容積關系為：
V#=(1-P1/P2) V總=KV總
V#-供水高峰市政壓力從P2降至P1期間水源罐給出的補償水量(m3)
P1-市政供水高峰期較低壓力
P2-市政供水高峰期前的壓力
V總-水源罐的總容積(m3)
例：供水高峰期，市政水源壓力從20mH2O降至mH2O，則在該期間水源罐給出的補償水量為
V#=(1-15/30) V總=0.5V總(m3)，占總容積的50%。顯然這是一種切實有效的動態補償作用，如果所有供水設備用戶的增壓設備均具有這種補償作用，則總體上對市政供水可起到一定削峰填谷的效果，高峰期間管網服務壓力不至于下降得太低。
(4)緩沖罐上配有控制儀表，當市政管網壓力低于設定下限值時可自動停機(禁止運行)，防止過度抽吸市政水源及防止抽水運行。
主要技術點—三項壓力恒定措施
第，一項：壓力防過沖設計。
技術點的起因：當用戶用水流量加大時，系統必然要將一臺泵轉換到兩臺泵運行，在這個轉換過程中，變頻頻率要上升到50HZ，經過加泵延時（一般是10-15S）后轉兩臺運行。一般產家是這樣的設計。但會有兩個問題：
問題1：當用水流量遠遠大于一臺泵的供水流量時，是否能滿足及時的轉換到兩臺泵運行，也就是說怎么能保證在10-15S內壓力不掉太快？
問題2：當用戶流量在切換泵過程中突然減小的情況下怎能保證壓力的不超調及穩定？也就是說當1臺泵滿足不了由系統切換到兩臺運行時，而此時1臺泵又能滿足出水流量，如果不采取措施，必將發生壓力超調及振蕩。這些問題對出水壓力穩定性和管網的安全性是很不利的。
中贏解決方案:
為防止出現壓力過沖的現象發生，程序上做保護設計措施，程序自動根據出水壓力與設定壓力的差值來決定加泵延時時間，較大化的避免了加泵產生的振蕩。
程序上設計防過沖抑制系數，在超出防過沖壓力時，自動降速運行，較大限度的保證出水管網壓力的恒定及保護管網的安全性
微機控制變頻調速給水設備成本回收核算
根據已知泵類在不同控制方式下的流量-負載關系曲線和現場運行的負荷變化情況進行計算。 以三臺30kW型離心泵為例。根據運行要求，水泵連續24小時運行，其中每天3小時運行在90%負荷(用水高峰)，11小時運行在50%負荷(正常用水);8小時運行在20%負荷(夜間用水);全年運行時間在365天。
則每年的節電量為：W1=30X3×3×(99.9999%-90%)×365=36135kW·h
W2=30X3×11×(99.9999%-50%)×365 =180675kW·h
W3=30X3×8×(99.9999%-20%)×365 =210240kW·h
W = W1+W2+W3=36135+180675+210240=427050kW·h
每度電按0.5元計算，則每年可節約電費213525萬元。
恒壓供水設備投資回收:按設備運行每天節省的費用=213525/365=585(元)
無水檢測雙重保護；
當市政管網停水時，穩流罐內的水位下降，液位傳感器檢測到無水信號時，馬上給信號給變頻器，讓水泵停止工作，保護水泵，以防電機燒毀，來水時水泵自動恢復供水。第，二種保護：當液位傳感器故障時，由無負壓穩流罐下面的電接點壓力表工作；當壓力表檢測到水泵進口壓力下降設定壓力時；壓力信號反饋給變頻器，讓水泵馬上降頻工作，直至停機以防電機燒毀，保護水泵，來水時水泵自動恢復供水。
液位傳感器換代產品：
目前國內的無負壓設備生產廠.家，無負壓罐上的液位傳感器都是采用不銹鋼304或316材料做成的產品，多年來事實證明，很多用戶都發現安裝在不銹鋼穩流罐上液位傳感器，在有時會停水的地方用不了多久就有故障了，原因是不銹鋼和不銹鋼之間在液體中相互產生化學反應，（如材質：303~304~316等），直接引影響到設備的安全，和用戶的生活用水，祥幫技術人員通過多次的現場檢驗和技術攻關，終選取衛生級的四佛材料，特別制作而成的液位傳感器，解決了所有難題，產品性能非常可靠，經濟實用，而且安裝、調試都很方便。
微機控制變頻調速給水設備貼近客戶——詳細運行記錄查詢
系統運行時間，各泵運行時間，故障次數，起停次數查詢，詳細參數查詢。為故障的排除及設備運行情況做診斷前的依據。
中贏供水微機控制變頻調速給水設備關于售后服務的及時性和連續性：
為用戶提供全天候(24小時)售.后服務，接到用戶報修電話后立即作出答復并派出專職售.后人員于6小時內趕到現場，輕微故障在1小時內解決，一般問題在2小時內處理完畢，重大故障在24小內處理完畢。故障排除后，清理現場完畢方可離開。
微機控制變頻調速給水設備變頻控制原理
用變頻調速來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比，節能效果十分顯著(可根據具體情況計算出來)。其優點是：
1、可以消除起動和停機時的水錘效應;
一般地說，當由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的容量。
雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。
在主要功能預置方面，較高頻率應以電動機的額定頻率為變頻器的較高工作頻率。升、降速時間在采用PID調節器的情況下，升、降速時間應盡量設定得短一些，以免影響由PID調節器決定的動態響應過程。如變頻器本身具有PID調節功能時，只要在預置時設定PID功能有效，則所設定的升速和降速時間將自動失效。
2、起動平衡，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊;
3、由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命;
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