自動化工程應用實例

（二）恒壓供水系統自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第1頁由水泵-管道供水原理可知，調整供水流量，標準上有兩種方法：1.節流調整：開大供水閥，流量上升；關小供水閥，流量下降。水泵轉速不變，浪費能量。2.轉速調整：水泵轉速升高，供水流量增加，轉速下降，流量降低。對于用水量經常改變生活用水場所，節能效果顯著。一、供水流量調整原理自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第2頁1.變頻器閉環控制供水系統關鍵是壓力恒定，壓力低則高層無法得到供水，壓力高則浪費能量。傳統方法是使用水箱或水塔，但在供水質量、日常維護和應付火警等方面均顯示出顯著不足。利用變頻器壓力閉環控制能夠實現無塔恒壓供水，取得了廣泛應用。二、變頻器

在恒壓供水系統中應用自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第3頁1.變頻器閉環控制不一樣品牌變頻器端子名稱不一樣。圖2-1變頻恒壓

供水系統自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第4頁圖2-1示出了一個恒壓供水系統。水泵電動機M由變頻器VF供電,SP是壓力傳感器,其檢測到壓力信號作為反饋信號XF被送到變頻器反饋信號輸入端(VPF)。壓力給定信號XT從外接電位器RP上取出,接到變頻器給定信號輸入端(VRF)。不一樣變頻器端子符號有所不一樣。變頻器內置有PID調整器，調整器輸出是頻率給定。自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第5頁假設Q1是水泵輸出“供水流量”,而Q2是用戶所需要“用水流量”,顯然：假如Q2>Q1,則壓力必減小,反饋信號XF也隨之減??；反之,假如Q2<Q1,則壓力必增大,反饋信號XF也隨之增大；假如Q1=Q2,則壓力保持不變,反饋信號XF也保持不變,則水泵“供水流量”和用戶“用水流量”之間處于平衡狀態；變頻器經過內部PID調整功效,不停地依據給定信號XT與來自SP反饋信號XF之間比較結果,調整變頻器頻率,從而調整電動機轉速,到達供需平衡,使水壓保持恒定。自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第6頁Q

P(XF)ΔPIDfXtttt0t1t2t3t4圖2-2恒壓供水調整過程(a)流量(b)壓力(c)調整量(d)頻率a)b)c)d)

0~t1段：流量Q無改變,壓力P也無改變,PID調整量ΔPID為0,變頻器輸出頻率fX也無改變；

t1~t2段：流量Q增加,壓力P有所下降,產生正調整量(ΔPID為正),變頻器輸出頻率fX上升；

t2~t3段：流量Q穩定在一個較大數值,壓力P已經恢復到給定值,調整量ΔPID=0,變頻器輸出頻率fX停頓上升；

t3~t4段：流量Q減小,壓力P有所增加,產生負調整量(ΔPID為負),變頻器輸出頻率fX下降；

t4以后：流量Q停頓減小,壓力P又恢復到給定值,調整量為0,變頻器輸出頻率fX停頓下降。自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第7頁因為采取變頻調速，該恒壓供水系統能夠節能，尤其是在流量小情況下節能效果顯著。多數品牌通用變頻器支持恒壓供水功效，無須增加任何硬件，也無須修改軟件，只要適當設定變頻器工作模式與相關參數（PID參數等）就能夠了，這是通用變頻器眾多功效當中一個。1.變頻器閉環控制自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第8頁·變頻恒壓供水系統由PLC控制器、變頻調速器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器和其它電控設備及泵組組成，如圖2-3所表示?！ぴ诠┧到y總出水管上安裝壓力變送器。PLC含有模擬量輸入模塊，可檢測壓力變送器和液位變送器輸出4-20mA信號，并將檢測壓力信號與給定壓力信號差值經運算后，輸出頻率給定給變頻器,到達調整電動機轉速，保持供水壓力恒定目標。2.恒壓供水系統組成自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第9頁蓄水池（小區水廠）交流接觸器PLC變頻器4#泵3#泵2#泵1#泵PP壓力信號液位信號市政供水管閘圖2-3小區變頻恒壓供水系統框圖出水管網返回10自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第10頁PLC自動檢測水池水位信號并與設定水位下限比較，假如水位低于下限，輸出水位報警信號或直接停機。該系統還有各種保護功效，能夠確保正常供水，做到無人值守。假如供水系統配置一臺變頻器和多臺水泵電機，PLC還要自動完成多臺水泵電機投切。2.恒壓供水系統組成自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第11頁該系統有手動和自動二種工作方式。

（1）手動運行

·按下按鈕，工頻開啟或停頓水泵，可依據需要控制泵啟、停。該方式主要供檢修及變頻器出故障時使用。·手動開啟水泵電機需要使用軟開啟器或其它降壓開啟辦法。3.恒壓供水系統工作原理自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第12頁（2）自動運行

合上自動開關后，系統自動變頻開啟1#泵，頻率從0Hz開始上升，同時PID調整器接收到來自壓力傳感器信號，與壓力給定信號比較，假如壓力不夠，則調整器指揮頻率繼續上升。直到50Hz，此時假如壓力仍達不到給定值，說明一臺水泵不夠，1#泵由變頻運行切換到工頻運行，然后變頻開啟2#泵，逐步升高頻率至適當值，水壓到達給定值。屢次加泵依次類推。3.恒壓供水系統工作原理自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第13頁假如用水量降低，則先開啟泵開始退出。假如電源瞬時停電，則系統停機。待電源恢復正常后，系統自動恢復運行，按自動運行方式變頻開啟1#泵，重復上述操作，直到在給定水壓值上穩定運行。變頻自動運行無需軟開啟器。？3.恒壓供水系統工作原理自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第14頁使用外加PID調解器完成閉環控制，以下列圖所表示，外加PID調解器能夠是PLC，如圖2-3所表示；也能夠是專用恒壓供水控制器，如圖2-5所表示。自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第15頁圖2-5專用恒壓供水系統控制器自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第16頁在供水系統中采取變頻調速運行方式，可依據實際需要設定水壓，系統自動調整水泵電動機轉速或加減泵，使供水系統管網中壓力保持在給定值，以求最大程度節能、節水、節地、節資，使系統可靠運行，實現恒壓供水。該項技術已經取得推廣，是今后發展方向。4.總結自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第17頁1.系統介紹·在自來水廠供水泵站中，系統普通由若干臺揚程相近水泵組成，傳統調整水壓和流量方式是人工投切運行水泵臺數?！ひ怨┧芰?-6萬噸∕日自來水廠為例，一個可能水泵配置為3臺160kW和一臺90kW水泵組成。三、自來水廠循環投切

變頻恒壓供水系統自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第18頁1.系統介紹·傳統調整方法是，若供水量較大，流量和管網水壓已經不能滿足要求，這時需人工投入水泵；若供水量減小，管網水壓會升高，此時又需人工切除水泵?！ぴ谏钜褂盟枯^小時，用一臺功率較小水泵供水。三、自來水廠循環投切

變頻恒壓供水系統自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第19頁1.系統介紹·為防止“水錘”效應，人工投切時，投入泵應遵照“先開機，后開閥”，切除泵應遵照“先關閥，后停機”操作次序。若是小功率水泵，則水泵出水側都裝有“止回閥”。·現在最慣用方法是變頻恒壓供水。三、自來水廠循環投切

變頻恒壓供水系統自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第20頁

BP1

BU1PLCPTM13~M23~M33~M43~

DZ1

DZ2

DZ3

DZ4

DZ5

DZ6KM3

KM5

KM7

KM9

RJ1

RJ2

RJ3

RJ4

KM2

KM4

KM6

KM8KM1KM10FU1

FU2LRO1RO2RO3ZJ1ZJ2圖2-6變頻恒壓供水循環投切方案系統圖變頻器軟開啟器壓力變送器可編程控制器水泵電機返回26返回24返回34自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第21頁（1）變頻恒壓供水系統控制方案因為城市自來水用量隨季節改變而改變，隨每日時段不一樣而不一樣，所以，為使供水壓力恒定，最慣用方案是采取變頻恒壓供水系統。即壓力變送器裝在主管網上檢測壓力信號，再將此壓力信號送到變頻器模擬信號輸入端，由此組成組成壓力閉環控制系統。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第22頁（1）變頻恒壓供水系統控制方案能夠采取一個方案是循環投切，見圖1-6所表示。圖中，BP1為變頻器；BU1為軟開啟器，PT為壓力變送器；ZJ1、ZJ2用于控制系統開啟/停頓和自動/手動轉換開關。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第23頁（1）變頻恒壓供水系統控制方案變頻器首先驅動第一臺水泵電動機變頻運行，需要加泵時，變頻器停頓運行，并由變頻器輸出端口RO1-RO3輸出信號給PLC，由PLC控制切換過程。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第24頁（1）變頻恒壓供水系統控制方案切換開始時，變頻器自由停車，第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上開啟并運行。假如需要繼續加泵，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵開啟并運行。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第25頁（1）變頻恒壓供水系統控制方案需要減泵時，系統先將第一臺水泵停頓，假如需要接著將第二臺水泵也停頓。再需要加泵時，切換從第三臺水泵開始循環。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第26頁（1）變頻恒壓供水系統控制方案這種方案確?？傆幸慌_水泵電機處于變頻運行，四臺水泵中任何一臺都可能變頻運行，長久看各臺水泵運行時間基本相同，給維護檢修帶來方便。大部分供水廠鐘情此方案。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第27頁（1）變頻恒壓供水系統控制方案不過，必須設置一套備用系統，圖2-6中軟開啟器就是作為備用，當變頻器或PLC故障時，可用軟開啟器手動依次開啟各泵運行，以確保供水不中止。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第28頁（2）循環投切工作過程變頻器輸出端只能接負載，不能接電源，也不能在運行中切斷負載，切換過程應嚴格遵照這些限制。系統開啟后，變頻器頻率按設定斜率上升，假如頻率升到了50Hz上限，運行60秒后管網水壓未到達給定值，則該臺水泵需要切換到工頻運行。其切換過程以下：1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第29頁先關閉該臺水泵電磁閥，然后變頻器自由停車，水泵電動機靠慣性繼續運轉，考慮到電動機中殘余電壓，不能將電動機馬上切換到工頻，而是延時一段時間（約600ms），待殘余電壓下降到較小值后再切換，以確保切換沖擊電流較小。殘余電壓是因為切換時電機磁場能量經過轉子回路釋放,在定子上感應出電壓所致。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第30頁（2）循環投切工作過程關閥后停車，水泵電動機基本上處于空載運行狀態，到600ms時，電動機轉速下降不是很多，使切換時沖擊電流較小。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第31頁（2）循環投切工作過程切換完成后再打開電磁閥，已停車變頻器切換到另一臺水泵上開啟并運行，打開電磁閥。切除工頻泵時，先關閥，后停車，這么無“水錘”現象發生。這些操作都是由PLC操作自動完成。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第32頁（3）軟開啟與切換電流沖擊變頻器故障或檢修時能夠使用手動方式運行系統。鑒于供水系統水泵電機普通功率較大，不宜直接手動開啟，需要采取星-三角、自耦變壓器降壓或軟開啟器開啟。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第33頁（3）軟開啟與切換電流沖擊自耦變壓器降壓開啟時先加60%額定電壓，延時數秒或數十秒鐘后，再切換到全電壓，能夠有效地減小開啟電流沖擊。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第34頁（3）軟開啟與切換電流沖擊電動機從變頻向工頻切換,只要切換延時時間適當（如前述600ms）,沖擊電流不會很大。電動機殘余電壓衰減時間普通為1-2秒。電機磁場能量經過轉子回路釋放,感應出定子電壓所致。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第35頁（3）軟開啟與切換電流沖擊延時長,殘余電壓小,但速度降落大；延時短,殘余電壓大,但速度降落小,選擇延時時間需二者兼顧,以求得到最小切換沖擊電流。1.系統介紹自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第36頁

某市自來水二廠招標，標書提出要求①設計供水能力為6萬噸∕日；②城市管網壓力為0.4MPa；③泵組為3臺160kW、1臺90kW水泵；④要求恒壓供水并采取計算機控制；⑤變頻器或控制系統故障可由軟開啟器手動開啟各泵。2.應用實例自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第37頁（1）計算機監控內容①管網壓力、流量；②泵運行狀態、閥啟閉狀態；③電動機溫度；④各泵電動機電流、電壓、功率、功率因數；⑤水質參數：包含余氯、濁度、含鐵量、PH值等。2.應用實例自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第38頁（2）方案框圖本系統采取循環投切方式，備用系統用一軟開啟器和相關器件組成，如圖2-6所表示。2.應用實例自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第39頁（2）方案框圖上位PC機用于管理，用組態軟件組成若干工藝流程圖，實時顯示系統運行情況，并統計歷史數據，打印統計報表，還用于故障報警與處理。PLC選取西門子S7-300，采取Profibus現場總線與總控室計算機聯網。2.應用實例自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第40頁（2）方案框圖BP1為160kW變頻器DZ1為400A空氣開關FU1為500A、FU2為600A快速熔斷器KM1-KM10為為LGGMC-400交流接觸器PT為森納斯壓力變送器，量程為1MPa切換延時定為600ms，無顯著電流沖擊據廠家統計，節能20%，每年節約電費10萬元2.應用實例自動化工程應用實例之恒壓供水系統課件第41頁圖2-7