熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)設(shè)計

熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)設(shè)計

1熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)隨著我國長距離生產(chǎn)的降低，我們公司開發(fā)的第一個電機不速容量監(jiān)控系統(tǒng)中的熱循環(huán)水泵管理系統(tǒng)無法滿足節(jié)能的需要。由于電機不速容量監(jiān)控系統(tǒng)中的能源消耗，為了適應(yīng)供水量的變化，經(jīng)常暫停水泵的運行，無法精確定位和監(jiān)測水位，因此很難正確控制泵的停止，從而使電機的工作處于低效區(qū)，縮短了電機的使用壽命。由于電機頻繁停止，設(shè)備的故障率很高，水資源浪費嚴(yán)重。針對熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)使用中的問題,設(shè)計時采用了以變頻器為核心的熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng),利用變頻調(diào)速在節(jié)能與恒壓方面的優(yōu)越性能,解決熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)存在的上述問題。本文涉及的水泵控制系統(tǒng)設(shè)計亦適用橡膠行業(yè)輪胎制造中硫化工藝的循環(huán)供水系統(tǒng)。2plc控制單元熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、壓力變送器、手操器、電機、水泵等構(gòu)成。采用PLC作為控制單元,根據(jù)管道壓力與給定壓力的偏差變化,經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運算,控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速;而變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力調(diào)節(jié)輸出頻率,改變水泵轉(zhuǎn)速,控制管道壓力,并將變頻器的工作狀態(tài)輸出到PLC。2.1水泵壓力控制PLC的變頻調(diào)速恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式。它利用PLC、壓力變送器、電氣控制設(shè)備、變頻器及水泵機組組成閉環(huán)控制系統(tǒng),使供水管網(wǎng)壓力保持恒定。使用變頻調(diào)速的水泵,其壓力控制常采用出口壓一定控制。壓力傳感器安裝在水泵附近的主出水管上,將感受到的壓力轉(zhuǎn)化為電信號(4～20?mA)作為反饋信號。變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器,作為壓力調(diào)節(jié)器,PID調(diào)節(jié)器將來自壓力傳感器的壓力反饋信號與出口壓力給定值比較運算,其結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器,用于調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速,使出口壓力保持一定。亦即當(dāng)用水量增加、水壓降低時,PID調(diào)節(jié)器使變頻器輸出頻率增加,電機拖動水泵加速,水壓增大。反之,當(dāng)用水量減少、水壓上升時,PID調(diào)節(jié)器使變頻器輸出頻率減少,電機拖動水泵減速,水壓降低。2.2主要設(shè)備的選擇熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有PLC、變頻器、手操器、壓力變送器及電機等器件。2.2.1駱駝運營商根據(jù)本次設(shè)計的具體要求,選用了日本歐姆龍的CQM1H系列PLC。2.2.2水泵電機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)變頻器是整個系統(tǒng)的核心部件,通過改變其輸出電壓頻率,實現(xiàn)對水泵電機的無極調(diào)速,達到隨管網(wǎng)水流量變化而自動調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速,保持供水壓力恒定的目的。本次設(shè)計選用了三墾IPF-18.5K-CHT1型變頻器。2.2.3管道壓力恒壓假設(shè)變送器的選型通常根據(jù)安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能、經(jīng)濟性和使用介質(zhì)等因素考慮。本次設(shè)計要求管道壓力恒定在3.6MPa,根據(jù)管道壓力與給定壓力的偏差變化,實現(xiàn)熱循環(huán)水多泵控制功能。故根據(jù)設(shè)計要求以及計算結(jié)果,選用了3015C智能壓力變送器。2.2.4通信組態(tài)、測試由于3051C壓力變送器均由HART智能手操器控制進行通信組態(tài)、測試,本次設(shè)計選用了375HART智能手操器。該儀器操作簡單,不需HART操作器,通過面板按鍵可調(diào)零、調(diào)滿,設(shè)置儀表量程及輸入分度號,現(xiàn)場可以顯示實時測量值。2.2.5電機的選型及選型變頻調(diào)速電機一般均選擇4級電機,基頻工作點設(shè)計在50Hz,頻率0～50Hz(轉(zhuǎn)速0～1480r/min)范圍內(nèi)電機作恒轉(zhuǎn)矩運行,頻率50～100Hz(轉(zhuǎn)速1480～2800r/min)范圍內(nèi)電機作恒功率運行,整個調(diào)速范圍為0～2800r/min,其工作特性與直流調(diào)速電機相同,調(diào)速平滑穩(wěn)定。本次設(shè)計選用的是YVP系列的160M2-4/15kW電機。水泵選用SG型管道泵,型號為100SG60-50,其口徑為100mm,流量為60m3/h,揚程為50m,效率為70%,電壓為380V,轉(zhuǎn)速為2800r/min。熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)的流程圖見圖1。3主循環(huán)水泵管理系統(tǒng)的設(shè)計3.1plc切換泵控制系統(tǒng)的控制過程控制系統(tǒng)運行原理為,變頻器的輸出頻率在0到50Hz之間變化,頻率越高,水泵的出口壓力越大,通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,可以改變水泵的輸出能力。現(xiàn)場采用的是智能式壓力傳感器,安裝在水泵的出水管道上,用于水壓的閉環(huán)控制。同時,啟動必須為變頻啟動,以保證較小的啟動電流和較大的啟動轉(zhuǎn)矩。壓力信號通過PLC調(diào)節(jié)器驅(qū)動變頻器,然后通過報警表的限值輸出控制PLC切換泵的運行狀態(tài)。熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)的運行過程為,加上啟動信號后,首先1#泵變頻啟動,延時10s后(延時的目的是使壓力穩(wěn)定下來),在變頻器無故障的情況下,如壓力信號為給定值則保持變頻運行;如壓力信號低于給定值(50Hz時),則延時1s后(延時目的為使開關(guān)熄弧,防止短路),將2#泵投入變頻運行;如運行一段時間(10Hz時)水壓高于給定值,則切除1#泵,2#泵變頻運行;若水壓仍高于給定值,則2#泵停機。若變頻器故障,則手操器手動啟動,使1#泵停止,2#泵投入運行,壓力信號為給定值,則保持2#泵變頻運行;若運行一段時間(10Hz時)水壓高于給定值,則2#泵停止運行。若恢復(fù)到正常值,則按流程圖的正常值條件運行。3.2系統(tǒng)的頻域設(shè)計3.2.1水泵控制方案設(shè)計在實際應(yīng)用中,根據(jù)熱循環(huán)水量的變化,其管網(wǎng)的壓力恒定,通過可編程控制器將壓力傳感器的信號按事先編排的程序進行分析、處理,然后輸出一定的信號,用以控制變頻器的輸出電流頻率,從而實現(xiàn)水泵的變速運行。水泵啟動時,壓力變送器向可編程控制器輸入水泵出口壓力(PV)信號,當(dāng)壓力低于設(shè)定壓力(SP)時,第二臺水泵自動無擾動投入運行,保證供水壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速的變化始終根據(jù)壓力變化來調(diào)節(jié),始終維持在設(shè)計壓力,變化范圍很小,以實現(xiàn)變頻恒壓控制。3.2.2s—變頻器的調(diào)速原理變頻器主要用于交流異步電動機調(diào)速以及同步電機、繞線電機調(diào)速。感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速(N)、電壓(V)、頻率(F)、磁通(Φ)、轉(zhuǎn)矩(T)及輸出功率(P)之間的基本關(guān)系為:N=60F/p(1-S)(1)Φ=k1×V/F(2)T=k2×(V/F)2(3)P=k3×T×N(4)式中S—轉(zhuǎn)差率;p—極對數(shù);k1—磁通系數(shù);k2—轉(zhuǎn)矩系數(shù);k3—功率系數(shù)。公式(1)表明,感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速正比于頻率,在極對數(shù)不變的條件下,通過改變電動機的供電頻率,便可實現(xiàn)電動機調(diào)速。3.2.3三頻ipf-18。5、k-cht1濾波器該變頻器具有變無速度傳感器控制模式、PID控制功能、節(jié)能控制功能、恒壓供水控制功能、瞬時停電補償功能和反轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速跟蹤起動功能。3.2.4pi調(diào)節(jié)控制設(shè)計本設(shè)計中使用的變頻器內(nèi)置有PID調(diào)節(jié)功能。由于三墾IPF-18.5K系列變頻器具有內(nèi)置PID指令(由Cd071=3設(shè)定),該指令是指從外部變送器輸入的模擬信號反饋輸入到變頻器,并取得與變頻器設(shè)定頻率指令之間的偏差,然后根據(jù)P、I、D進行控制,從而使負載一側(cè)的動作跟隨指令值變化的一種控制功能。因此,可根據(jù)壓力與變送器輸出電流的關(guān)系,以及變送器輸出電流與變頻器的頻率關(guān)系,將壓力的設(shè)定轉(zhuǎn)換為對變頻器的頻率進行設(shè)定,并給變頻器提供一個壓力反饋信號,且正確設(shè)定有關(guān)P、I、D參數(shù),即可以自動進行調(diào)節(jié)控制。在本控制系統(tǒng)中,為了便于進行壓力設(shè)定,可把變頻器的頻率設(shè)定方式選用為“操作面板方式”(由Cd002=1設(shè)定),而把PID調(diào)節(jié)所需要的反饋信號設(shè)定為外部4～20mA模擬電流信號(由Cd120=3設(shè)定),然后利用遠傳壓力表,將管路的供水壓力變換成4～20mA的電流信號,將其作為反饋信號直接到變頻器的IRF輸入端(模擬電流信號輸入端)。在本設(shè)計中,主要進行了PI調(diào)節(jié)控制,因此,微分增益常數(shù)可設(shè)為零。通過Cd122、Cd123對比例增益、積分增益進行設(shè)置后,即可以進行PI調(diào)節(jié)控制,從而控制水泵轉(zhuǎn)速,達到恒壓控制的目的。3.2.5濾波器的配置3.2.5.1.輸入頻帶的輸入頻率調(diào)整啟動時,電機頻率從0.02～50Hz緩慢啟動,啟動電流從0到額定電流時也呈緩慢變化,大大降低了電機的啟動電流。3.2.5.調(diào)和范圍及強度加速時間是指電機啟動從轉(zhuǎn)速為0到額定轉(zhuǎn)速所用的時間,可調(diào)范圍為0～6500s。加速時間越長,啟動過程就越平穩(wěn),但到達額定電流所用時間就越長。3.2.5.輸出電壓和運行頻率變頻器輸出電壓可在50～460V間任意選擇,運行頻率可在30～120Hz間任意選擇,輸出電壓和運行頻率可以在特定條件和特定要求下運行。按照現(xiàn)場要求,變頻器的輸出電壓為380V,運行的最低頻率為0.01Hz,最高頻率為50Hz。3.2.5.控制運行指令共有操作面板控制、外部端子信號操作控制(外部命令)、串行通信(遠方命令)控制3種運行指令。本設(shè)計全部采用外部端子信號操作控制(Cd001=2)。3.2.5.外部模擬信號控制有操作面板、外部模擬信號(0～5V)、外部模擬信號(0～10V或電位器)、外部模擬信號(4～20mA)、步進設(shè)定、二進制設(shè)定、裝置內(nèi)部設(shè)定、串行設(shè)定等,特別是外部模擬信號控制非常有用。電機頻率可以根據(jù)被控制設(shè)備的變化而變化,如對于某些壓力要求特別嚴(yán)格的場合,保持某一特定壓力,變頻器會在外部模擬信號控制命令下變頻運行,常用的外部信號為4～20mA電流。本設(shè)計采用的壓力變送器輸入信號為4～20mA電流,因此頻率設(shè)定方式為電流輸入設(shè)定頻率。3.2.5.數(shù)字變壓器的頻率及額定功率的確定一旦選定變頻器,其額定電壓、額定電流、額定頻率和額定功率也就隨之確定,本設(shè)計中變頻器的額定電壓為380V,額定電流為33.3A,額定頻率為50Hz,額定功率為15kW。4結(jié)局聲明實際應(yīng)用證明,熱循環(huán)水多泵控制系統(tǒng)應(yīng)用變頻器進行控制設(shè)計,有以下幾個方面的優(yōu)點。(1)節(jié)能效率很高就變頻控制系統(tǒng)而言,無論工作參數(shù)為何,電機效率均不會降低,電機的功率因數(shù)將得到提高。(2)變壓器采用軟啟動方式,系統(tǒng)不存在電流沖擊