恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng),進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行,并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù), 完成供水壓力的閉環(huán)控制,在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力,系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓 力實(shí)際值進(jìn)行比較,其差值輸入CPU運(yùn)算處理后,發(fā)出控制指令,控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力 值上。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)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(fā)展。進(jìn)入 90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應(yīng)快、低損耗的方向發(fā)展。作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與微計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置,隨著產(chǎn)品的開 發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用,使得交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。目前自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù),而系統(tǒng)的控制裝置 采用PLC控制器,因PLC不僅可實(shí)現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制,并可完成系統(tǒng)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能,可對(duì)系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,并完成系 統(tǒng)運(yùn)行工況的CRT畫面顯示、故障報(bào)警及打印報(bào)表等功能。自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口,可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控 制,為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。
控制方案
在住宅小區(qū)水廠的管網(wǎng)系統(tǒng)中,由于管網(wǎng)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(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的壓力損失P和流量Q之間存在著如下關(guān)系： P=KQ2;式中K為系數(shù)設(shè)PL為壓力最不利點(diǎn)所需的最低壓力,則泵站出口總管壓力P應(yīng)按下式關(guān)系供水,則可滿足用戶用水的要求壓力值,又有最佳的節(jié) 能效果。
P=PL+P=PL+ KQ2;
因此供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而不斷修正設(shè)定值,這種恒壓供水技術(shù)稱為 變量恒壓供水,即供水系統(tǒng)最不利點(diǎn)的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續(xù)可調(diào)。典型的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示;系統(tǒng)具有控制水泵出口總管 壓力恒定、變流量供水功能,系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器,實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸入至可編程控制器(PLC) 的輸入模塊,信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算,得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù),由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值,控制泵 站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況,并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)CPU指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化,自動(dòng)確定泵組的水泵的 循環(huán)運(yùn)行,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。
系統(tǒng)功能
該系統(tǒng)選用FR-500日本三菱變頻器。該系統(tǒng)中具有功能：
1自動(dòng)切換變頻/工頻運(yùn)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(qū)動(dòng)一臺(tái)泵并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率：控制其他輔助泵啟停。即當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最大頻率時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)輔助泵工頻運(yùn)行、當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最小頻率時(shí)則停止最后啟動(dòng)的輔助泵。由此控制增減工頻運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)。
方式1：交替方式,變頻器通常固定驅(qū)動(dòng)某臺(tái)泵,并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率,使輔助泵工頻運(yùn)行,此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動(dòng)的順序是泵1泵2,當(dāng)變頻器輸出停止時(shí),下一次啟動(dòng)順序變?yōu)楸?泵1。
方式2：直接方式。當(dāng)啟信號(hào)輸入時(shí)變頻器啟動(dòng)第一臺(tái)泵當(dāng)該泵達(dá)到最高頻率時(shí),變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行,變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行,相反當(dāng)泵停止條件成立時(shí),先停止最先啟動(dòng)的泵。
2 PID的調(diào)節(jié)功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號(hào)(4-20MA或-5V)直接送入PLC的A/D口(可以通過手持編程器),設(shè)定給定壓力值,PID參數(shù)值,并通過PLC計(jì)算何以需切換泵的操作完成系統(tǒng)控制,系統(tǒng)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中調(diào)整,使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。
3休眠功能
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到用戶用水量較小或不用水(如夜晚)情況,為了節(jié)能,該系統(tǒng)專用 設(shè)置了可以使水泵暫停工作的休眠功能,當(dāng)變頻器頻率輸出低于其下限時(shí),變頻器停止工作,2#、3#泵不工作,水泵停止(處于休眠狀態(tài))。當(dāng)水壓繼續(xù)升 高時(shí)將停止1泵,當(dāng)水壓下降到一定值時(shí)將先啟動(dòng)變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)2#泵或3#泵,當(dāng)頻率到達(dá)一定值后將啟動(dòng)1#泵調(diào)節(jié)2#或3#泵的轉(zhuǎn)速。
休眠值變頻器輸出的下限頻率PR507設(shè)置。
休眠確認(rèn)時(shí)間用參數(shù)PR506設(shè)置,當(dāng)變頻器的輸出頻率低于休眠值的時(shí)間如小于休眠時(shí)間td時(shí),即tdtn時(shí)變頻器將進(jìn)入休眠狀態(tài)。喚醒值由供水壓力下限啟動(dòng),當(dāng)供水壓力低于下限值時(shí)由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。
經(jīng)測(cè)試休眠值為10HZ
休眠確認(rèn)時(shí)間td:20s
喚醒值70%
4通訊功能
該系統(tǒng)具有計(jì)算機(jī)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S7-200計(jì)算機(jī)可以與一套或多套系統(tǒng)進(jìn)行通訊,利用計(jì)算機(jī)同時(shí)可以監(jiān)測(cè)：電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數(shù)。
此外該系統(tǒng)還具有手動(dòng)/自動(dòng)操作,故障報(bào)警,運(yùn)行狀態(tài),電流,電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護(hù)等功能。
運(yùn)行特征
以三臺(tái)水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例,系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行方式下,可編程控制器控制變頻器軟啟 動(dòng)1#泵,此時(shí)1#泵進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài),其轉(zhuǎn)速逐漸升高,當(dāng)供水量Q1/3Qmax時(shí)(Qmax為三臺(tái)水泵全部工頻運(yùn)行時(shí)的最大流量),可編程控 制器CPU根據(jù)根據(jù)供水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)1#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速,以保證所需的供水壓力。當(dāng)用水量Q在1/3Qmax 當(dāng)外供水量減少至1/3Qmax 5.系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 1經(jīng)濟(jì)效益分析變量泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n 1三者的關(guān)系如下式：N1/Q1=(n 1/n)3 Q1/Q= n 1/n 式中Q額定流量,Q1N額定流量Q時(shí)的軸功率 n水泵的額定轉(zhuǎn)速因額定流量Q=100%時(shí),n=100%,N=100%,若n 1=90%n時(shí)Q1=90%Q,N1=72.9%N,即可節(jié)電 27.1%。若n 1=80%n時(shí)Q1=80%Q,N1=51.2%N,即可節(jié)電48.8%。
2系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
2.1恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源|穩(wěn)壓器頻率,而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力,比靠調(diào)節(jié)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。
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(shí),泵轉(zhuǎn)速降低,減少了軸承的磨損和發(fā)熱,延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。
2.3因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動(dòng)控制,不需要操作人員頻繁操作,降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)省了人力。
2.4水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式,按設(shè)定的加速時(shí)間加速,避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊,對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響,同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
2.5由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài),在其運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的,故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約可觀的電能,其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯,所以系統(tǒng)具有收回投資快,而長(zhǎng)期受益,其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大。
控制方案
在住宅小區(qū)水廠的管網(wǎng)系統(tǒng)中,由于管網(wǎng)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(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的壓力損失P和流量Q之間存在著如下關(guān)系： P=KQ2;式中K為系數(shù)設(shè)PL為壓力最不利點(diǎn)所需的最低壓力,則泵站出口總管壓力P應(yīng)按下式關(guān)系供水,則可滿足用戶用水的要求壓力值,又有最佳的節(jié) 能效果。
P=PL+P=PL+ KQ2;
因此供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而不斷修正設(shè)定值,這種恒壓供水技術(shù)稱為 變量恒壓供水,即供水系統(tǒng)最不利點(diǎn)的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續(xù)可調(diào)。典型的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示;系統(tǒng)具有控制水泵出口總管 壓力恒定、變流量供水功能,系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器,實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸入至可編程控制器(PLC) 的輸入模塊,信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算,得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù),由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值,控制泵 站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況,并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)CPU指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化,自動(dòng)確定泵組的水泵的 循環(huán)運(yùn)行,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。
系統(tǒng)功能
該系統(tǒng)選用FR-500日本三菱變頻器。該系統(tǒng)中具有功能：
1自動(dòng)切換變頻/工頻運(yùn)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(qū)動(dòng)一臺(tái)泵并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率：控制其他輔助泵啟停。即當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最大頻率時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)輔助泵工頻運(yùn)行、當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最小頻率時(shí)則停止最后啟動(dòng)的輔助泵。由此控制增減工頻運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)。
方式1：交替方式,變頻器通常固定驅(qū)動(dòng)某臺(tái)泵,并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率,使輔助泵工頻運(yùn)行,此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動(dòng)的順序是泵1泵2,當(dāng)變頻器輸出停止時(shí),下一次啟動(dòng)順序變?yōu)楸?泵1。
方式2：直接方式。當(dāng)啟信號(hào)輸入時(shí)變頻器啟動(dòng)第一臺(tái)泵當(dāng)該泵達(dá)到最高頻率時(shí),變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行,變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行,相反當(dāng)泵停止條件成立時(shí),先停止最先啟動(dòng)的泵。
2 PID的調(diào)節(jié)功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號(hào)(4-20MA或-5V)直接送入PLC的A/D口(可以通過手持編程器),設(shè)定給定壓力值,PID參數(shù)值,并通過PLC計(jì)算何以需切換泵的操作完成系統(tǒng)控制,系統(tǒng)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中調(diào)整,使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。
3休眠功能
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到用戶用水量較小或不用水(如夜晚)情況,為了節(jié)能,該系統(tǒng)專用 設(shè)置了可以使水泵暫停工作的休眠功能,當(dāng)變頻器頻率輸出低于其下限時(shí),變頻器停止工作,2#、3#泵不工作,水泵停止(處于休眠狀態(tài))。當(dāng)水壓繼續(xù)升 高時(shí)將停止1泵,當(dāng)水壓下降到一定值時(shí)將先啟動(dòng)變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)2#泵或3#泵,當(dāng)頻率到達(dá)一定值后將啟動(dòng)1#泵調(diào)節(jié)2#或3#泵的轉(zhuǎn)速。
休眠值變頻器輸出的下限頻率PR507設(shè)置。
休眠確認(rèn)時(shí)間用參數(shù)PR506設(shè)置,當(dāng)變頻器的輸出頻率低于休眠值的時(shí)間如小于休眠時(shí)間td時(shí),即tdtn時(shí)變頻器將進(jìn)入休眠狀態(tài)。喚醒值由供水壓力下限啟動(dòng),當(dāng)供水壓力低于下限值時(shí)由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。
經(jīng)測(cè)試休眠值為10HZ
休眠確認(rèn)時(shí)間td:20s
喚醒值70%
4通訊功能
該系統(tǒng)具有計(jì)算機(jī)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S7-200計(jì)算機(jī)可以與一套或多套系統(tǒng)進(jìn)行通訊,利用計(jì)算機(jī)同時(shí)可以監(jiān)測(cè)：電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數(shù)。
此外該系統(tǒng)還具有手動(dòng)/自動(dòng)操作,故障報(bào)警,運(yùn)行狀態(tài),電流,電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護(hù)等功能。
運(yùn)行特征
以三臺(tái)水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例,系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行方式下,可編程控制器控制變頻器軟啟 動(dòng)1#泵,此時(shí)1#泵進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài),其轉(zhuǎn)速逐漸升高,當(dāng)供水量Q1/3Qmax時(shí)(Qmax為三臺(tái)水泵全部工頻運(yùn)行時(shí)的最大流量),可編程控 制器CPU根據(jù)根據(jù)供水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)1#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速,以保證所需的供水壓力。當(dāng)用水量Q在1/3Qmax 當(dāng)外供水量減少至1/3Qmax 5.系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 1經(jīng)濟(jì)效益分析變量泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n 1三者的關(guān)系如下式：N1/Q1=(n 1/n)3 Q1/Q= n 1/n 式中Q額定流量,Q1N額定流量Q時(shí)的軸功率 n水泵的額定轉(zhuǎn)速因額定流量Q=100%時(shí),n=100%,N=100%,若n 1=90%n時(shí)Q1=90%Q,N1=72.9%N,即可節(jié)電 27.1%。若n 1=80%n時(shí)Q1=80%Q,N1=51.2%N,即可節(jié)電48.8%。
2系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
2.1恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源|穩(wěn)壓器頻率,而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力,比靠調(diào)節(jié)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。
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(shí),泵轉(zhuǎn)速降低,減少了軸承的磨損和發(fā)熱,延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。
2.3因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動(dòng)控制,不需要操作人員頻繁操作,降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)省了人力。
2.4水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式,按設(shè)定的加速時(shí)間加速,避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊,對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響,同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
2.5由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài),在其運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的,故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約可觀的電能,其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯,所以系統(tǒng)具有收回投資快,而長(zhǎng)期受益,其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大。
