1、多泵自動(dòng)循環(huán)切換恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)陳成勇(西門子(中國)有限公司，上海200120)摘 要：本文采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速或加、減泵。自動(dòng)完成泵組軟啟動(dòng)及無沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過渡。變頻器故障時(shí)系統(tǒng)仍可運(yùn)行，保證不間斷供水。系統(tǒng)斷電恢復(fù)后可自啟動(dòng)。并詳細(xì)說明系統(tǒng)硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì)、工作原理、運(yùn)行方式、參數(shù)整定等系統(tǒng)主要采用三菱PLC和西門子變頻，來實(shí)現(xiàn)所需要的功能關(guān)鍵詞：恒壓供水；變頻調(diào)速；水泵；PLC中罔分類號(hào)：TM92151 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：10037241(2010)010ll4 05Variable Frequency Adjustable Speed System

2、Applied to ConstantPressure Water Supply for Many PumpSCHEN Cheng-yong(Siemens(China)CoLtd，Shanhai 200120 China)Abstract：Variable frequency adjustable speed is adoopts to adjust the revolutions or add substract number of pumps is discussedin this paperIt can fulfil soft starting and self starting sw

3、itch over without swash automatically and let the hydraulicpressure transits smoothlyThe system still can run during the frequency converter is in trouble，and ensure the water isstill continuedThe system can self start after power out is recoveredThis paper illustrate the composition of hardware，des

4、ign of software，working principle，operating mode，parameterssetting of the system in detailThe system adoptsM itsubishS PLC and Siemensfrequency converter to realize the function demandedKey word：constant pressure water supply；variable frequency adjustable speed；water supply；PLC1 引言恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性能，已成

5、為設(shè)計(jì)的主流。其主要特點(diǎn)是：1占地面積小，安全可靠，投入成本并不高，而運(yùn)行效率很高。由于一天內(nèi)平均轉(zhuǎn)速下降，軸上的平均扭矩和磨損減小，因此水泵的壽命大大提高1】。2變頻調(diào)速能對(duì)水泵實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停車，由此可消除水錘效應(yīng)，減少對(duì)管網(wǎng)的沖擊。自動(dòng)化程度高。2 系統(tǒng)概述(一) 傳統(tǒng)的供水方式：1 水箱水塔供水一重力供水這種方式供水壓力收稿日期：2 0 09081 3比例恒定，且有儲(chǔ)水，但它是由位置高度形成的壓力來供水的，為此需建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ镂蓓斏稀? 氣壓供水。這種供水方式一般是在地下室或空曠處加壓將水送到管網(wǎng)中。優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)快，可通過改變壓力來滿足不斷增長的供水需求。缺點(diǎn)是建壓力罐其體積

6、和投資大，還需設(shè)置空壓機(jī)充氣，消耗電能大，運(yùn)行費(fèi)用 引。(二) 恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)：其控制框如圖1所示。由變頻器向電機(jī)供電，由電機(jī)拖動(dòng)水泵，通過壓力傳感器把在出口水壓檢測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓力(反映用水量大小)反饋信號(hào)與壓力給定信號(hào)經(jīng)比較送人調(diào)節(jié)器，再將調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為變頻器的頻率給定信號(hào)，由此來根據(jù)用水需求量自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量的大小。圖1 恒壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(三) 系統(tǒng)控制要求：本系統(tǒng)采用三臺(tái)同容量的水泵供水，具體的控制要求是：1 用水量少時(shí)由變頻器驅(qū)動(dòng)一套電機(jī)泵組，且根據(jù)用水量自動(dòng)調(diào)節(jié)泵速，另兩套電機(jī)泵組停車。2 當(dāng)此泵速達(dá)到最高仍不能滿足用水需求時(shí)，則起動(dòng)第二套電機(jī)泵組并由變頻器供電，而第一套

7、自動(dòng)切換由工頻電網(wǎng)直接供電。3 兩套電機(jī)泵組供水時(shí)，若第二套泵速最低時(shí)仍大于用水需求，則自動(dòng)切除第一套泵組，若第二套泵速最高時(shí)仍小于用水需求，則自動(dòng)起動(dòng)第三套電機(jī)泵組并由變頻器供電，而第二套自動(dòng)切換由工頻電網(wǎng)直接供電，第一套仍由工頻電網(wǎng)直接供電。4 三套電機(jī)泵組供水時(shí)，若第三套泵速最低時(shí)仍大于用水需求，則自動(dòng)切除第一套泵組，第二套仍由工頻電網(wǎng)直接供電。同理，以次減之。之后周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)切換，因此各臺(tái)泵的平均使用壽命得到提高 3。3 方案選擇多泵并聯(lián)變頻恒壓工作模式通常是：當(dāng)用水流量小于一臺(tái)泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺(tái)變頻泵調(diào)速恒壓供水；當(dāng)用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)上升；當(dāng)變頻泵

8、的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速，為用水流量進(jìn)一步增大，由變頻供水控制器控制，自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵投入，該工頻泵提供的流量是恒定的(工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量)，其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入。在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當(dāng)用水流量下降，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)頻率下降到零流量的時(shí)候，變頻供水控制器發(fā)出一個(gè)指令，自動(dòng)關(guān)閉一臺(tái)工頻泵使之退出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動(dòng)投入或退出時(shí)的沖擊。在投入時(shí)，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在退出時(shí)，變頻泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動(dòng)上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的要求。上述頻率自動(dòng)上升，下降由供水變頻控制器控制4】。另一種變頻供水模式通常叫做恒壓變量循環(huán)狀

9、啟動(dòng)并先開先停的工作模式。在這種供水模式中，當(dāng)供水流量少于變頻泵在恒壓工頻下的流量時(shí)，由變頻泵自動(dòng)調(diào)速供水，當(dāng)用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速升高當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速，由變頻供水控制器控制把該臺(tái)水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電(不通過變頻器供電)。變頻器則另外啟動(dòng)一臺(tái)并聯(lián)泵投入工作。隨用水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動(dòng)投入。這就是循環(huán)軟啟動(dòng)投入方式。當(dāng)用水流量減少，各并聯(lián)工頻泵按次序關(guān)泵退出，并聯(lián)泵退出的順序按先投入先關(guān)泵退出的原則由恒壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。4 系統(tǒng)工作原理(一) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理圖變頻恒壓供水系統(tǒng)工作原理如圖2；它主要有PLC、變頻器、壓力傳感器、

10、動(dòng)力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號(hào)變成420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得到420mA參數(shù)，420mA信號(hào)送至變頻器。控制系統(tǒng)由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速不同、工作頻率也就不同，在變頻器設(shè)置中設(shè)定一個(gè)上限頻率和下限頻率檢測(cè)，當(dāng)用水量大時(shí)，管路壓力減小，變頻器頻率迅速上升到上限頻率，此時(shí)，變頻器輸出一個(gè)上限頻率到達(dá)開關(guān)信號(hào)給PLC；當(dāng)用水處于低峰時(shí)，管路壓力增大，變頻器輸出頻率下降并達(dá)到下限頻

11、率，變頻器也輸出一個(gè)下限頻率到達(dá)開關(guān)信號(hào)給PL C，兩個(gè)信號(hào)不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生。系統(tǒng)始終保持每個(gè)時(shí)刻都有變頻泵在運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)管路內(nèi)的壓力，當(dāng)產(chǎn)生任何中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。變頻器輸出的信號(hào)即反饋給PL C，一個(gè)信號(hào)時(shí)，信號(hào)即反饋給PL C，PL C通過設(shè)定的內(nèi)部程序驅(qū)動(dòng)I0端口開關(guān)量的輸出來實(shí)現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機(jī)臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的I引。(二) 工作原理圖3 恒壓供水系統(tǒng)的變頻器主回路圖圖

12、3中Qo為總電源進(jìn)線斷路器、Qo1為變頻器的電源進(jìn)線斷路器、Q1、Q2、Q3為t#、2#、3#泵工頻電源進(jìn)線斷路器、F U 為電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)的熔斷器、SV為電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)、PV為電壓表KM!、KM2、KM3為泵l#、2#、3#變頻接觸器。 Yo。2 _Lr 一 YO0 DCI2NO KM6 5里 o424v t! o+2vI(t5 FR3 KI越 一¨1艇M1工瓤ie行M2童蜒-電阡M2z 碲M3生蜒 I釬M3I j晰圖4 恒壓供水系的變頻器外部接線圖6回路設(shè)計(jì)：變頻器的接線見圖3，變頻器1 0，l 1端子是模擬量輸入端El。5，9端子是起動(dòng)停止信號(hào)，9號(hào)端子是變頻器自帶的+24V 電源

13、，當(dāng)5號(hào)端子有正電源時(shí)，變頻器允許起動(dòng)斷開時(shí)停止運(yùn)行，因此在5，9號(hào)端子連線之間串接了一副繼電器輔助觸點(diǎn)KA 1，當(dāng)輔助觸點(diǎn)閉合時(shí)，變頻器可起動(dòng)，斷開時(shí)變頻器停止。通過控制K A l的閉合和斷開，在泵切換時(shí)進(jìn)行斷開變頻器的控制。21端子輸出下限頻率信號(hào)到PLC輸入端，24號(hào)端子輸出上限頻率信號(hào)到P L C輸入端。在變頻器外部接線圖中可知見圖4，在變頻器控制的一路，因變頻器自帶過流和過熱保護(hù)，所以沒有設(shè)過熱保護(hù)，在工頻控制一路我們?cè)O(shè)置了熱繼電器，在每個(gè)泵的變頻器控制和工頻控制的兩路我們都通過P L C輸出控制每個(gè)接觸器線圈來互相自鎖。接觸器采用DC24V線圈接觸器。圖5 M ICROMASTER

14、 440方框圖開始工作時(shí)，l#泵變頻啟動(dòng)，泵的轉(zhuǎn)速上升，如變頻器的頻率達(dá)到5 0 H Z而此時(shí)水壓還未達(dá)到設(shè)定值，變頻器檢測(cè)到上限頻率并輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)給PL C，上限頻率信號(hào)保持5分鐘時(shí)間后，1#泵迅速切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)解除變頻器運(yùn)行信號(hào)1秒，然后切換到2#泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，若此時(shí)壓力上升，變頻器輸出下限信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷1#工頻泵，由2#變頻泵單獨(dú)運(yùn)行。若此時(shí)壓力下降未達(dá)到設(shè)定值，變頻器輸出50赫茲上限運(yùn)行信號(hào)，則2#泵切換至工頻，3#泵變頻啟動(dòng)。在運(yùn)行中始終保持一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。當(dāng)在1#泵工頻運(yùn)行，2#泵變頻運(yùn)行時(shí)，管路壓力未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，變頻器輸出一個(gè)上限頻率信號(hào)至PLC，由PLC控制切

15、除2#泵變頻運(yùn)行，此時(shí)由2#泵工頻運(yùn)行、3#泵變頻運(yùn)行，同時(shí)保持1#泵工頻運(yùn)行。如果此時(shí)壓力上升，變頻器頻率達(dá)到下限頻率，同樣輸出下限信號(hào)給PLC，PLC解除1#工頻泵，由2工頻泵和3#泵變頻運(yùn)行來維持管網(wǎng)壓力。當(dāng)壓力上升，變頻器頻率下降，輸出下限頻率信號(hào)后，2#工頻泵切斷，此時(shí)由3#泵單獨(dú)運(yùn)行來維持管路壓力。此時(shí)如管道壓力下降，變頻器達(dá)到上限頻率，并輸出上限壓力信號(hào)，3#變頻泵轉(zhuǎn)換為工頻運(yùn)行，1#泵變頻啟動(dòng)，若壓力仍不滿足則1#變切換為1#工，2#泵變頻運(yùn)行，并保持3#泵工頻運(yùn)行。三臺(tái)泵同時(shí)工作以保證供水要求。見圖45這樣的切換過程有效地減少泵的頻繁起停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)水壓波動(dòng)做出反應(yīng)之前

16、，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時(shí)間停水的情況發(fā)生。下豫頓率圖6 各泵工作狀態(tài)時(shí)序圖5 PLC程序設(shè)計(jì)表1 PLC輸入、輸出分配表輸入定義號(hào) 注髯 輸出定義號(hào) 注釋Xo01 變頻器下限須率輸入信號(hào) Tl l#泵交頻運(yùn)行接觸囂X2 變頹器上限頻率輸入信號(hào) Y002 l#泵工頻運(yùn)：f亍接虹囂X003 手動(dòng)自動(dòng)選擇開關(guān) T003 2#泵變頻運(yùn)行接觸囂l x004 1辭泵手動(dòng)運(yùn)行允許輸入信號(hào) ?4 2#泵工頻運(yùn)行接觸囂x005 2#泵手動(dòng)運(yùn)行允許輸入信號(hào) T5 3#泵變頻運(yùn)干亍接觸囂x006 3#泵手動(dòng)運(yùn)千亍允許輸入信號(hào) Y006 3#泵工頻運(yùn)行接觸譬Y007 變鞭切羲停

17、止縫電囂變頻泵循環(huán)運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)很多，但是實(shí)現(xiàn)起來關(guān)鍵問題是變頻器輸出切換問題。將水泵電動(dòng)機(jī)從變頻器供電切換到工頻電網(wǎng)供電，將可能遇到很大的電流沖擊考慮到變頻器每次切換的時(shí)會(huì)產(chǎn)生的沖擊，如表l所示，以第1臺(tái)電機(jī)為例在K M 1斷開以后，定子繞組是開路的，不可能有勵(lì)磁電流。而轉(zhuǎn)子繞組是自成回路的，其電流有一個(gè)逐漸衰減的過程，它將產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的直流磁場(chǎng)，而定子三相繞組將和此旋轉(zhuǎn)的直流磁場(chǎng)相互切割，從而產(chǎn)生出相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即電動(dòng)機(jī)在切斷電源以后，存在著一個(gè)處于非同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過渡過程。非同步發(fā)電狀態(tài)不同于電動(dòng)機(jī)的再生發(fā)電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的再生發(fā)電狀態(tài)是指定子繞組必須和電源相接，以得到勵(lì)磁電流。而此

18、這時(shí)是電機(jī)已經(jīng)脫離電源。J x。 x。-口】m 。x x南s x。；s x。_c 。v。 ， O，O。v0，0，c。? v · v s v。 s va d j f f l。 一 囂 囂 一 蓮行 蓮 翟干亍 運(yùn)行 蓮行 停止逮干亍圖7 PLC輸入、輸出接線圖我們?cè)趹?yīng)用中是在水泵脫離變頻器后，等待一段時(shí)間待電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降下來以后再接到工頻電源。在切換的時(shí)候P L C先發(fā)出停止信號(hào)，停止變頻器運(yùn)行1 S使變頻器降速到零，在起動(dòng)前段會(huì)有下限低的信號(hào)，造成不能正常起動(dòng)，在變頻器切換時(shí)都有2 S鐘的信號(hào)下限信號(hào)隔離的設(shè)計(jì)。每次切換時(shí)都保持下限和上限信號(hào)連續(xù)保持5分鐘后方可切換，以避免因變頻

19、頻率波動(dòng)而產(chǎn)生的頻繁切換。+24V手動(dòng)連籜 Hl手葡 I2手動(dòng) 3手輔a003) 值oo) O口5) (1006)圖8 轉(zhuǎn)換開關(guān)接線圖(下轉(zhuǎn)第1 23頁)6 變頻器參數(shù)設(shè)定(表2)表2 變頻器參數(shù)設(shè)定1 PO010=O (準(zhǔn)魯運(yùn)行) 10P0732=532 (低于量小頻率)贛宇輸出2I 2 POIO0=O(工作地區(qū)50HZ) I1P昕33=50(己選列最大頻率)教宇輸出3l P0304=380(電動(dòng)機(jī)的頓定電壓) 12PIOOO=3(簸率設(shè)定值帕選擇)4 F0305=36 (電動(dòng)機(jī)白口頓定電 I】 13P1080=15(電動(dòng)機(jī)的最小頓率)5 PO3PT=l85(電動(dòng)機(jī)的餐定功率) 14-P10

20、82：5o(電動(dòng)機(jī)的量大叛率)6 P0310=50(電動(dòng)機(jī)的額定頻率) 15PII20=IO (斜坡上升時(shí)問)7 P0311=1470 (電動(dòng)機(jī)的舞定速度) 16PII21=IO(辯墟下降時(shí)同)8 P0700=O (選擇命令源) 17P2253=755 ID設(shè)定值信號(hào)源)童P0701=l (接通正轉(zhuǎn)bPPl命令) 18F2264=7 ID反饋信號(hào))7 系統(tǒng)各部分的選型(一) 變頻器選型：通過電機(jī)容量選用變頻器，考慮安全和余量。采用西門子型號(hào)為：6SE6440-2AD322DA1。功率：22KWMICROMAST(二)PLC控制系統(tǒng)及選型：該系統(tǒng)采用三菱FX2N一32ET，IO點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，繼電器輸出，PLC編程采用三菱PLC專用編程軟件SWOP C-FXWINC。(三) 壓力傳感器選型：壓力傳感器采用昆山雙橋傳感器測(cè)量技術(shù)有限公司型號(hào)：CYG 1 01型(低壓力傳感器)。量程：0-401