变频恒压供水自动化设备(自动化项目经典案例分享)

本文来自:机械工业出版社E视界

单台水泵的恒压控制

以单台水泵的供水系统为例,假设水泵以调速方式运行,则其恒压控制原理框图如下:

变频恒压供水自动化设备(自动化项目经典案例分享)(1)

在图中,设定压力SV是工艺要求值,在PID上用按键输入此值,它是我们希望保持的管网压力值,管网上安装的压力传感器把实际压力PV输送到PID的检测量模拟输入端,PID比较误差e的正负。

当误差e为正时,说明实际压力值PV小于设定值SV,PID的输出u增大,变频器的输出增加,水泵转速n上升,实际压力值PV上升,当PV等于SV时,电动机转速停止上升,管网压力PV维持在设定值SV。

当误差e为负时,说明管网实际压力PV高于设定值SV,则PID输出u减小,变频器的输出频率f减小,水泵转速n降低,管网实际压力PV降低,当PV等于SV时,电动机转速停止降低,管网压力PV维持在SV。

如果积分参数I不起作用(I=0),则PID不能实现无差调节,因为PV=SV时,ei=0,则比例P和微分项D的输出为零,PID输出也将变为零,不能维持一定的压力值,因此必须有无差e才能使输出保持为一定的值,即u=P*ei。

当管网压力用阀门调节来实现恒压控制时,用阀门调节实现恒压控制的原理如下图所示。

变频恒压供水自动化设备(自动化项目经典案例分享)(2)

在图中,阀门定位器的作用是把PID输出的4~20mA信号转化为对应的阀门开度0~90°(全关~全开),其控制过程同第一张图。

多台水泵的供水系统恒压控制

对于多台水泵的供水系统,除了上述的控制过程外,还有一个增减泵的控制,一般情况下需要增加一个PLC(或类似的控制装置)。

其控制过程为:当管网压力PV低于设定压力SV时,PID输出增加,变频器频率增加,电动转速增加,随着水泵的加速,PV增加,PID的输出一直增大到最大(20mA)时,变频器的输出频率达到最高频率(50Hz),水泵转速达到额定转速;如果PV仍低于SV,则PID输出压力低的报警(开关量)信号,PLC接到该压力低报警信号,延时一定的时间(一般为30s~15min);如果PV一直小于SV,则说明一台水泵已经不够用了,应使PLC控制第二台水泵投入运行,一直到开泵台数满足要求为止,PV值基本稳定在SV值附近。

当管网压力PV大于设定值SV时,如果PID的输出已经最小(4mA),调速水泵停止运行,如果此时PV仍大于SV,则PID输出压力高的报警信号,PLC接收到此输入信号,延时一定的时间(30s~15min),PLC控制关掉一台水泵,知道关泵台数满足要求为止,PV值基本稳定在SV值附近。

案例分享

以3台泵为例,3台泵的恒压变频控制系统电气控制图如下图所示。目前,很多变频器本身自带PID和PLC,这样造价也低,所以在选型时可以选择这样的变频器,如富士公司的FRENIC5000-P11变频器、西门子公司的M430变频器和爱默生公司的TD2100变频器等。

变频恒压供水自动化设备(自动化项目经典案例分享)(3)

在图中,万能转换开关SA2在右边“手动”位置时,①和②接通,③和④接通,⑤和⑥断开,按下起动按钮SB2,交流接触器KM1吸合,电动机M1工频起动;

按下停止按钮SB1,交流接触器KM1释放,电动机M1停止运行;

按下起动按钮SB4,交流接触器KM2吸合,电动机M2工频起动;

按下停止按钮SB3,交流接触器KM2释放,电动机M2停止运行。

在图中,万能转换开关SA2在左边“自动”位置时,①和②断开,③和④断开,⑤和⑥接通,KA3吸合,PLC控制变频器的起动,PID的压力高报警信号和压力低报警信号接在PLC的输入端,PLC测量到压力高报警信号或压力低报警信号,如果一直存在该信号,延时一定时间,则PLC控制电动机M1和电动机M2起动或停止。

PLC输出控制继电器KA1吸合时,交流接触器KM1吸合,电动机M1工频起动;

PLC输出控制继电器KA1断开时,交流接触器KM1失电释放,电动机M1停止运行;

PLC控制继电器KA2吸合时,交流接触器KM2吸合,电动机M2工频起动;

PLC控制继电器KA2断开时,交流接触器KM2失电释放,电动机M2停止运行。

压力传感器P测量管道中水的压力,根据压力的大小输出3~340Ω的模拟信号到PID控制器,PID根据误差e(=SV-PV),运算后输出4~20mA的调节信号到变频器的速度控制输入端,改变水泵电动机的转速,从而实现压力的恒定控制。

注意:万能转换开关SA2的②和④触头不能合并为一个触头,否则“自动”时,继电器KA1和KA2线圈吸合会造成手动按钮也能起动水泵电动机。

利用PLC实现恒压控制

在第三张图中,如果不用PID和阀门定位器,而是利用PLC对阀门电动机直接进行开阀、关阀和停止3个动作的控制也可以实现恒压控制。利用PLC实现恒压控制如下图所示。

变频恒压供水自动化设备(自动化项目经典案例分享)(4)

管网压力PV低于SV时,PLC输出打开阀门控制信号,随着阀门打开角度增加管网压力PV升高,当PLC判别到PV=SV时,PLC输出停止阀门运行信号,阀门停在使PV=SV的位置上。当PV大于SV时,PLC控制阀门关,阀门打开角度减小,当PV=SV时,PLC输出阀门停止运行信号。

3台泵恒压变频控制系统元件清单见下表。

变频恒压供水自动化设备(自动化项目经典案例分享)(5)

初学者请注意:断路器有电动机型和线路型之分,由于电动机的起动电流大,所以,电动机型的断路器,在较大的电动机起动冲击电流下不出现跳闸,如果选成线路型的,则可能出现断路器在电动机起动时跳闸的问题。

目前,变频恒压供水设备在工业用水、市政输水、建筑用水及民用小区供水等领域大量应用,它避免了用阀门调节压力时造成的节流损失,使用也十分方便。两者的控制系统基本一样,只是用变频器调节电动机的转速代替了控制阀门开度的调节方法。

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