設(shè)計、安裝、運行變頻恒壓供水系統(tǒng)課件

2023年2月3日項目五設(shè)計、安裝、運行變頻恒壓供水系統(tǒng)

《變頻器應(yīng)用》崇德尚技博學(xué)精工

項目導(dǎo)入

變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)許多實際的供水控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，并取得穩(wěn)定可靠的運行效果和良好的節(jié)能效果。經(jīng)實踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實時性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節(jié)省了人力，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

本項目就是使用變頻器和PLC，對變頻恒壓供水系統(tǒng)進行自動控制。

任務(wù)描述項目背景：某市自來水網(wǎng)儲水水池，采用高低水位控制器EQ來控制注水閥YV1，自動把水注滿，水位低于高水位，則自動往水池注水。該水網(wǎng)儲水水池的供水，使用生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運行，維持生活用水低恒壓。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥YV2復(fù)電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵供給消防用水使用，并維持消防用水的高恒壓值?；馂?zāi)結(jié)束后，三臺泵恢復(fù)為生活供水所使用。恒壓供水系統(tǒng)圖

任務(wù)描述控制要求：

1）生活供水時，系統(tǒng)低恒壓值運行，消防供水時高恒壓運行；2）三臺泵根據(jù)恒壓需要，采取“先開先?！痹瓌t接入和退出；

3）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行時間超過３h，則要切換下一臺泵，避免某一臺泵工作時間過長；

4）三臺泵都要軟啟動；

5）要有完善的報警功能；

6）對泵的控制要有手動控制功能，以便應(yīng)急或檢修時使用。

任務(wù)分析

1、變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制線路的安裝1）了解恒壓供水系統(tǒng)及PID控制的工作原理；2）確定PLC的I/O端子分配，繪制主電路及PLC接線圖；3）選擇PLC及其他元器件，并對主要元件進行檢測；4）繪制元器件分布圖，安裝元器件，完成電控板的接線；5）按照線路檢測步驟，對完成的電控板線路進行檢測。2、編寫變頻恒壓供水系統(tǒng)的PLC控制程序；3、對變頻恒壓供水系統(tǒng)進行運行與調(diào)試。

知識技能目標(biāo)：

1、了解變頻恒壓供水的過程及PID控制原理；2、熟練完成變頻器與PLC控制系統(tǒng)的接線；3、進一步訓(xùn)練變頻器與PLC應(yīng)用程序的編寫。素質(zhì)目標(biāo)：6S教育，良好職業(yè)操作規(guī)范，良好的團隊合作，解決問題的能力。識讀線路圖按圖選擇器件并檢測元器件布局、安裝、連接線路檢查變頻器參數(shù)設(shè)置，編寫PLC控制程序，寫入程序到PLC調(diào)試運行是任務(wù)實施流程：1.相關(guān)知識的學(xué)習(xí)2.任務(wù)準(zhǔn)備（資料、操作工具等）3.任務(wù)實施4.知識拓展變頻恒壓供水機組概述變頻恒壓供水機組是一種對水泵機組進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)恒壓變量供水的智能型機電一體化裝置，該設(shè)備由壓力傳感器(或遠(yuǎn)傳壓力表、電接點壓力表)、變頻器、可編程控制器、控制回路、水泵、氣壓罐及其他附件組成，可通過控制水泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)恒壓變量供水，具有壓力平穩(wěn)、節(jié)能顯著等優(yōu)點。變頻恒壓供水機組可以根據(jù)用戶的要求選擇多種附加功能。

知識學(xué)習(xí)變頻恒壓供水機組的特點采用變頻恒壓可編程控制，可滿足用戶多種需求無級變速運行，節(jié)能效果顯著可保持給水系統(tǒng)壓力恒定，工作壓力按需設(shè)定采用變頻器啟動和停泵，無啟動電流，延長水泵壽命實現(xiàn)無人值守，PLC控制智能化運行有效防止水錘，延長管路管件壽命結(jié)構(gòu)緊湊，占地少，投資小，施工期短，不需水塔或高位水箱供水可靠性高，對過流、過欠壓、水位過低及變頻器故障可自行判斷處理，具有完備的電氣安全保護及電機故障跨越功能變頻恒壓供水機組應(yīng)用范圍高層建筑、城鎮(zhèn)居民小區(qū)、企事業(yè)等生活用水各種類型的工業(yè)用水各種水廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)排灌站等供水系統(tǒng)空調(diào)冷熱水循環(huán)系統(tǒng)鍋爐恒壓補水系統(tǒng)各類舊有供水系統(tǒng)的改造變頻恒壓供水機組原理變頻恒壓供水機組的原理來自于水泵比例律，而水泵比例律是由水泵的相似律推導(dǎo)而來的

水泵的相似律：圖中顯示全速運轉(zhuǎn)n1與變速轉(zhuǎn)速n2時，水泵的性能曲線。假設(shè)我們將Qb與Hb作為水泵額定參數(shù)，在系統(tǒng)需水量為Qa時，從上圖n2曲線我們可以看出，轉(zhuǎn)速下降為n2時，依然可以保證系統(tǒng)壓力Hb，但從功率曲線可以看出此時與n1轉(zhuǎn)速時的功率差ΔP=Pa-P，即節(jié)省的電能，ΔH可看作是節(jié)省的無用揚程，由此可知，利用變頻控制可實現(xiàn)穩(wěn)壓和省電的功能。變頻恒壓供水工作模式簡介變頻恒壓供水通常有兩種工作模式：1.變頻泵固定工作模式：投入：當(dāng)用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量，由一臺變頻泵調(diào)速恒壓供水；當(dāng)用水量增大時，變頻泵的轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)變頻泵轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速，而用水量進一步增大，由變頻供水控制器自動啟動一臺工頻泵投入，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。退出：當(dāng)用水量下降，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)頻率下降到零流量的時候，變頻供水控制器發(fā)出一個指令，自動關(guān)閉一臺工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動投入或超出時的沖擊（水力的或電流的沖擊）。在投入時，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。變頻恒壓供水工作模式簡介2.變頻循環(huán)軟啟動工作模式投入：在這種供水模式中，當(dāng)供水流量小于變頻泵在恒壓工頻下的流量時，由變頻泵自動調(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)變頻器則另外啟動一臺并聯(lián)泵投入工作。隨著用水流量繼續(xù)增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動投入。退出：當(dāng)用水流量減小，各并聯(lián)工頻泵按次序關(guān)泵退出，并且泵退出的順序按先投入先關(guān)泵退出的原則由變頻控制器單板計算機控制。

PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制算法可以通過計算機軟件編制，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，還可以進行修正和完善，從而使數(shù)字PID具有很大的靈活性和適應(yīng)性。PID調(diào)節(jié)是：Proportional(比例)，Integral（積分）,Differential（微分）PID控制的基本原理與在恒壓供水中的應(yīng)用PID算法：在連續(xù)控制系統(tǒng)中采用的PID控制規(guī)律為

P(t)——控制量

Kp——比例增益e(t)——系統(tǒng)的控制偏差

Ti——積分時間常數(shù)

Td——微分時間常數(shù)恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成采用可編程控制器（PLC）與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng).變頻恒壓供水控制系統(tǒng)框圖由圖可知，變頻器有兩個控制信號：目標(biāo)信號和反饋信號。（1）目標(biāo)信號XT。即給定VRF上得到的信號，該信號是一個與壓力的控制目標(biāo)相對應(yīng)的值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。目標(biāo)信號也可以由鍵盤直接給定，而不必通過外接電路來給定。（2）反饋信號XF。是壓力變送器SP反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。PID調(diào)節(jié)原理方框圖下圖所示為變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制框圖。

其控制原理是由壓力傳感器測得供水管網(wǎng)的實際壓力，信號比較結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后控制變頻器的輸出頻率，進而控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速以達到恒壓的目的。單泵恒壓供水系統(tǒng)組成

變頻器有兩個控制信號：1）給定信號XT。給定信號的大小除了和所要求的壓力的控制目標(biāo)有關(guān)外，還和壓力傳感器SP的量程有關(guān)。假設(shè)用戶要求的供水壓力為0.3MPa，壓力傳感器SP的量程為0～1MPa，則給定值應(yīng)設(shè)定為30％。2）反饋信號XF是壓力傳感器SP反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。

控制方案的確定根據(jù)設(shè)計要求可確定控制方案為：通用變頻器+PLC(包括PID)+壓力傳感器變頻恒壓控制原理圖

項目實施

恒壓供水系統(tǒng)流程項目實施

恒壓供水系統(tǒng)組成

(1)執(zhí)行機構(gòu)三臺大功率主水泵、一臺小功率輔助水泵

(2)信息檢測機構(gòu)壓力傳感器、液位傳感器

(3)控制機構(gòu)

PLC(含PID)、變頻器

(4)報警裝置項目實施

主電路項目實施

控制電路SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1～SB

8控制三臺泵的啟/停和電磁閥YV2的通/斷；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復(fù)位時只提供一個觸點信號，由于PLC為4個輸出占為一組共用一個COM端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復(fù)頻控制。圖中的Y000～Y005及Y010～Y015為PLC的輸出繼電器的觸點。

項目實施

恒壓供水控制系統(tǒng)程序中所使用的PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能D100目標(biāo)值T37工頻泵增泵濾波時間控制D102測定值T38工頻泵減泵濾波時間控制D110采樣時間T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D111動作方向M10故障結(jié)束脈沖信號D112輸入濾波常數(shù)M11泵變頻啟動脈沖D113比例增益M12減泵脈沖D114積分時間M13倒泵變頻啟動脈沖D115微分增益M14復(fù)位當(dāng)前變頻泵運行脈沖D116微分時間M15當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖D150變頻運行頻率下限值M16新泵變頻啟動脈沖D160生活供水變頻運行頻率上限值M20泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D162消防供水變頻運行頻率上限值M21泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D180PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元M22泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D182變頻工作泵的泵號M30故障信號匯總D184工頻運行泵的總臺數(shù)M31水池水位下限故障邏輯D190倒泵時間存儲器M32水池水位下限故障消鈴邏輯T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M33變頻器故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M34火災(zāi)消鈴邏輯項目實施

如上可知，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點12個；模擬量輸入點1個、模擬量輸出點1個。

選用三菱FX2N-32MR一臺、加上一臺模擬量擴展模塊FX2N-4AD、一臺模擬量擴展模塊FX2N-2DA構(gòu)成系統(tǒng)。

整個PLC系統(tǒng)的配置如下圖所示。主機單元FX2N-32MR模擬量輸入模塊FX2N-4AD模擬量輸出模塊FX2N-2DAPLC系統(tǒng)組成恒壓供水控制系統(tǒng)PLC系統(tǒng)選型項目實施

系統(tǒng)的電氣控制總框圖水泵機組的選型水泵機組的選型一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。根據(jù)要求，采用由上海熊貓機械（集團）有限公司生產(chǎn)的3臺55kw的150SFL160-20X4型主水泵機組。

其他主要元器件的選型PLC的選型

PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。

根據(jù)要求選擇三菱FX2N-32MR型PLC

。變頻器的選型變頻器是根據(jù)其控制的電機的功率選擇的，這里根據(jù)要求及便與PLC通信選擇如下變頻器：三菱FR-A540-55K型變頻器,功率為55Kw。

壓力傳感器的選型壓力傳感器是用來采集水壓而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)必不可少的一環(huán)，根據(jù)要求選:YTZ-150電阻遠(yuǎn)傳壓力表和XMT-1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0~1Mpa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號給PLC的擴展模塊。

液位傳感器的選擇

液位傳感器是控制水池水位，防止電機空轉(zhuǎn)。據(jù)要求可選:浮球式液位計恒壓供水控制系統(tǒng)PLC及擴展模塊外圍接線圖火災(zāi)時，火災(zāi)信號SA1被觸動，X000為1。

水位上下限信號分別對應(yīng)為X001、X002，它們被水淹沒時為0，露出時為1。項目實施

PLC程序設(shè)計程序包括三部分：主程序、子程序和中斷程序。

系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成；

定時中斷程序用來實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制；

主程序包括泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等；

生活及消防雙恒壓的兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%；

本系統(tǒng)中PID控制中僅用了比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可通過工程計算初步確定，還需進一步調(diào)整以達到最優(yōu)控制效果。項目實施

主程序流程圖

項目實施

加泵流程圖項目實施

減泵流程圖項目實施

圖4-53雙恒壓供水系統(tǒng)程序圖項目實施

VAS變頻恒壓供水機組下面將以我司VAS系列產(chǎn)品為例，為大家簡單介紹變頻恒壓供水機組的型號、結(jié)構(gòu)、主要配置(下圖為我司VASL實物圖)知識拓展VAS變頻恒壓供水機組型號介紹交互與并列的含義：交互：至少有一臺備用泵，不可能所有并聯(lián)泵同一時間全部處于運行狀態(tài)。并列：不存在絕對意義上的備用泵，系統(tǒng)需要時，所有并聯(lián)泵均可同時處于運行狀態(tài)。因此，一般提及“幾用幾備機組”是指交互運行的機組而言。VAS變頻恒壓供水系統(tǒng)流程圖VAS變頻恒壓供水系統(tǒng)工作過程通過壓力傳感器檢測罐體壓力，壓力電信號經(jīng)過自動控制電路識別、放大，控制接觸器動作，從而使水泵根據(jù)罐體內(nèi)壓力變化，自動運行和停止，達到自動供水的目的。工作過程：水泵啟動，將水通過止回閥注入罐體，從而使罐體內(nèi)壓力增大，當(dāng)壓力達到所設(shè)定壓力上限時，壓力自動控制器自動關(guān)閉水泵，使水泵停止運行。由于供水罐體內(nèi)壓力高于供水管網(wǎng)壓力，所以能自動降壓供水，當(dāng)壓力減小到設(shè)定壓力下限時，自動控制水泵啟動，自動向供水罐內(nèi)注水，如此往復(fù)，使設(shè)備不停供水，全自動運行。VAS變頻恒壓供水機組結(jié)構(gòu)示意圖VAS變頻恒壓供水機組標(biāo)準(zhǔn)配置水泵(根據(jù)供水系統(tǒng)所需揚程流量選擇水泵型號與臺數(shù))電控柜(根據(jù)水泵型號、臺數(shù)、變頻運行方式選擇)變頻器(包含于電控柜中)遠(yuǎn)傳壓力表(考慮到儀表的匹配性,該項與電控柜同時采購)普通壓力表(上儀四廠)壓力罐(意大利Zlimet)閥門(止回閥/閘閥/彈性減振接頭等)管路(出水總管一套)底座(采用碳鋼焊接整體底座)其他管路附件壓力罐是承壓容器的一個分支，它具有壓力容器的一切特征。壓力罐的種類繁多，要選擇合適的供水壓力罐，必須對壓力罐進行正確的分類。按承壓殼體的材質(zhì)可分為碳鋼、合金鋼、不銹鋼壓力罐，這些壓力罐在供水設(shè)備上都有應(yīng)用，但最常用的是碳鋼材質(zhì)。按供水機理可分為補氣式供水壓力罐、囊式供水壓力罐、隔膜式供水壓力罐。下面將簡要介紹此三種壓力罐及其區(qū)別。壓力罐的供水原理都是相同的，根據(jù)都是波－馬定律：P1V1=P2V2，一定質(zhì)量的壓縮氣體是氣壓供水設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。

我司一般采用碳鋼隔膜式壓力罐。壓力罐簡介補氣式壓力罐補氣式壓力罐工作原理如圖所示，當(dāng)壓力罐內(nèi)沒有水時，控制器啟動水泵往壓力罐內(nèi)注水，水位上升，罐內(nèi)的空氣被壓縮，壓力升高，當(dāng)水位升高到A點時，控制器控制水泵停機。當(dāng)用戶用水時，罐內(nèi)凈水在壓縮空氣的作用下向用戶供水，隨著罐內(nèi)水量減少，壓力下降，當(dāng)水位下降到B點時，電腦控制器啟動水泵向罐內(nèi)和管網(wǎng)注水，這樣反復(fù)動作達到了自動向用戶加壓供水的目的。補氣式壓力罐必須有補氣裝置鍋爐定壓補水不可使用補氣式壓力罐，因在高溫下水中的溶解氧對鋼鐵的腐蝕性極強，會大大縮短鍋爐的使用壽命。

囊式壓力罐將一個大小比例合適的充滿空氣的膠囊安裝在壓力罐內(nèi)，就叫做囊式壓力罐，加裝氣囊的主要用途是防止罐內(nèi)的空氣溶解于水，以致壓力罐失去作用。除了造價高，與普通壓力罐沒有任何區(qū)別，現(xiàn)在大廠家早已不生產(chǎn)這種壓力罐了，一個造價幾十元的自動補氣裝置就完全取代了這種膠囊的作用，而且經(jīng)普通壓力罐送出的水又成了富氧水。隔膜式壓力罐隔膜式壓力罐內(nèi)裝整體膠囊，膠囊大小與罐容積相同，水存在膠囊內(nèi)，不與罐壁接觸，膠囊與罐壁之間充滿壓縮空氣，往罐內(nèi)注水時，膠囊膨脹，壓縮空氣被再次壓縮，壓力上升，水泵停機后，壓縮空氣擠壓膠囊，將囊內(nèi)的水供給用戶，同時壓縮空氣體積膨脹，壓力減小，待壓力下降到設(shè)定的最低壓力時，水泵再次啟動，如此往復(fù)。隔膜壓力罐的選型1.確定最大小時用水量Q

Q—最大小時用水量(m3/h)

m—用水人數(shù)qr—用水量標(biāo)準(zhǔn)(升/人·日)

T—用水時間(小時)一般取24小時

K—小時變化系數(shù)，一般取1.8-2.5

隔膜壓力罐的選型2.確定氣壓給水設(shè)備最低工作壓力P1和最高工作壓力P2P1—罐內(nèi)氣體最低工作壓力(MPa)h1—水池最低水位至建筑物最高點的垂直差(m)h2—管網(wǎng)沿程損失(m)h3—管網(wǎng)局部損失(m)h4—最不利用水點的流出水頭(m)h5—消防需加水頭(m)(如需要消防功能時)