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案例44_变频水泵恒压供水装置

归档日期:07-14       文本归类:给水      文章编辑:爱尚语录

  案例4.4_变频水泵恒压供水装置_电子/电路_工程科技_专业资料。变频水泵恒压供水装置

  案例 4.4__变频水泵恒压供水装置 1. 概况: 近年来由于城市建设飞速发展,高层楼宇大量涌现,居民用水矛盾日益突出。如采用水箱供水存在水 压不稳、二次污染和耗能等问题。随着 PLC 控制和变频技术的发展,变频恒压供水逐步为大家认可。 变频恒压供水目前国家尚无标准。因此变频恒压供水系统的构成各不相同,一般按用户要求进行生产。 通常控制采用 PLC, 调速采用变频器, 用压力变送器作为管网压力采样和反馈信号与压力设定信号进行比 较,经过 PID 调节器运算,它的输出作为变频器频率给定,从而调节电动机的转速,使管网压力维持恒定。 一台变频器可以控制二台或多台水泵。 在本实例中,因考虑到本系统的使用环境是居民大楼,用水量需根据季节变换和气温变化经常要进行 调整。而控制室为无人值守,操作者是一般物业人员,要求系统工作可靠,操作简单。因此对系统的总体 设计中采用 PLC 来对水泵的开、关和切换进行控制及对故障进行处理;使用 PID 调节器来实现闭环控制, 而水泵的驱动则采用变频器,变频器工作在开环运行状态,由 PID 调节器的输出(4~20mA 电流)作为变 频器的频率给定信号。供水管网中的压力则通过压力变送器转换为 4~20mA 的电流信号反馈到 PID 调节器。 压力给定信号在调节器面板中以键盘设置。系统的控制方框图如图 4-1 所示。 水泵房的现场照片和控制柜外形照片分别见图 4-2 和图 4-3, 图 4-2 水泵房现场照片 图 4-3 恒压供水系统电气控制柜外形图 本系统在正常工作时只须二台泵,另一台作为备用泵。考虑到三台泵应均衡使用,故不设备用泵,而 改为三台泵轮流工作制。如大楼居民用水流量少时,用一号泵作变频运行,电动机低速运行。当用水流量 增加造成管网压力降低,压力变送器输出信号减小,使 PID 调节器输出信号增加,从而使变频器输出频率 增加,使电动机升速,管网压力随之增加。PID 调节器调节压力的过程如下:PID 调节器的给定量 Pg 恒定, 1 当用水流量增加时,供水能力 QG 小于用水流量 Qu,则压力降低,压力反馈信号 PF↓→偏差信号△P=(Pg—PF) ↑→变频器输出频率 f↑→电动机转速 n↑→供水能力 QG↑→直至压力大小回复到目标值,供水能力与用 水流量重新达到平衡(QG=Qu)时为止。如果变频器输出已经达到水泵额定频率,且经过一定时间后管网压力 仍小于设定值,说明只用一台水泵供水能力还不够,则通过 PLC 控制一号泵改为工频运行,接通二号泵并 由变频器控制,使管网压力继续上升直到达到压力平衡。 当用水流量下降使压力升高时,通过 PID 调节器的调节作用使变频器输出频率降低,二号泵转速下降。 即用水流量减小,使 QG>Qu 时,则 PF↑→(Pg-PF) ↓→f↓→n↓→QG↓→QG=Qu,又达到新的平衡。如果变频 器输出频率下降到下限值,管网压力仍大于设定值,说明用不到两台泵同时工作,则通过 PLC 控制一号工 频泵停止工作,剩下二号变频泵低速运行,维持管网压力。 当用水流量又增加使压力下降时,变频器输出频率又上升;如果输出频率达到额定,而管网压力仍小 于设定值,则二号泵转为工频泵,接通三号泵并由变频器控制,使管网压力上升最终达到压力平衡。根据 管网压力的变化,三台泵的工作状况可以轮流切换。 本系统的控制电路电气原理图如附图 4-4 所示。 附图 4-4 变频恒压供水系统控制电路电气原理图 电气原理图中所用元器件清单见表 4-1 表 4-1 元器件清单 序号 元件代号 元件名称 1 PLC 可编程控制器 2 FR-F540 三菱变频器 3 A1 数字式压力控制表 4 PB-DA-2Y 压力变送器 5 DC 稳压器 6 SB1 启动按钮 7 SB2 停止按钮 8 S02 手动/自动选择开关 9 QF1~QF3,QF10 断路器 10 KM1~KM3,KM10~KM13 接触器 11 KA1 变频器起停继电器 12 FR1,FR2,FR3 热继电器 13 FU1~FU4 熔断器 14 HL1,HL2,HL3 泵 1~泵 3 变频指示灯 HL11,HL12,HL13 泵 1~泵 3 工频指示灯 HL17 变频故障指示灯 HL18 电机故障指示灯 15 HA 变频故障蜂鸣器 16 SA1、SA2、SA3 检修选择按钮 17 S01 检修开关 18 DY1,DY2,DY3 水泵电动机 19 离心清水泵 型号规格 三菱 FX2N-48MR 三菱 FR-540-11K FUJI PXR5 HSA PB-DA-2YA 输出 4-20mA AC220V/DC24V Y132M-4B,7.5kW/15.4A/380 v/1440rpm 65DL4 扬程 46m/流量 30m3/h 2 2. 变频器 采用三菱公司风机、水泵专用型 FR-F540 系列变频器,容量 11kW。由于采用外围 PID 调节器,因此 对变频器性能要求不高,采用其它型号变频器均可。端子接线 所示。参数设置见表 4-2 所示: 表 4-2 FR-F540 系列变频器参数设置 功能 参数号 名称 设定范围 设定值 基本功能 1 上限频率 0-120Hz 50HZ 2 下限频率 0-120Hz 15HZ 3 基底频率 0-400Hz 48Hz 7 加速时间 0S 10S 8 减速时间 0S 10S 标 准 运 行 13 起动频率 功能 0-60Hz 0.5Hz 输出功能 41 频率到达动作范围 0-100% 100% 42 输出频率检测 0-400Hz 15HZ 显示功能 55 频率监视基准 0-400Hz 50HZ 电机参数 80 电机容量 0-55KW 7.5KW 81 电机极数 2.4.6.8.12.16 4 83 电机额定电压 0-1000V 380V 84 电机额定频率 50-120Hz 50HZ 子功能 158 AM 端子功能选择 0,1,2,5,6,8,10-14,17,21 1 端 子 安 排 195 ABC 端子功能选择 0-5,8,10,11,13-19,25,26, 99 功能 98-105,108,110,111,113-116 125,126,198,199,9999 校准功能 904 频率设定电流偏置 0-20mA 0-60Hz 4mA 0Hz 905 频率设定电流增益 0-20mA 1-400Hz 20mA 50Hz 注 :其它参数为出厂设定值。 3 4 3. 数字式多功能 PID 调节器(PXR5) 该调节器系日本富士电气公司产品。它可以作为温度、压力、流量等控制仪。它具有使用方便、体积 小(相当于一只中间继电器大小)、价格低和功能强等优点。 PXR5 的各接线 所示,实际接线时,接线端子在调节器背面,通过螺钉与导线连接。 本实例中,在上图中确定电源端子 11,12 为 100~240VAC;控制输出 1 端子 31,32 为电流输出;测量 值输入端子 35,36 为电流/电压输入,并应在端子 35,36 之间并接 250Ω 电阻;报警 AL1 输出端子 7,8 为常 开触点。据此,可画出 PXR5 与 PLC、变频器之间的连接图如图 4-7 所示: 在图 4-7 中,管网压力通过压力变送器输出 4-20mA 电流信号送到 PXR5 的输入端,作为反馈值。压 力变送器采用宝鸡华水自动化工程有限公司生产的 HSA 变频专用压力变送器,型号为 PB-DA-2YA,量程 为 0~1.0MPa,输出信号为 4~20mA。PB-DA-2Y 系列产品是一种新型的压力变送器,广泛应用于冶金、 5 电力、自来水、化工和石油等工业现场,实现远程监控和控制。PB-DA-2Y 系列产品采用德国 AMG 公司 传感器及专用变送器用集成电路,传感器部件为光刻箔式电阻应变计。它设计新颖独特,工艺先进,信号 输出稳定,信号输出精度达 1.0 级,表面指针精度为 1.6 级。使用环境温度为-20℃~45℃,相对湿度不大 于 80%。仪表接线为三线制:黑色――电源正极;红色--输出正极;兰色-公共负极。接头螺纹选用 ZG1/2, 与管道直接相接。该压力变送器外形如图 4-8 所示。本例中,压力变送器安装在水泵出水口的管道上,如 图 4-9 所示。 图 4-8 压力变送器外形图 图 4-9 压力变送器安装图 该调节器的参数分为三组,可以根据不同要求分别设置,这 3 组参数的分类及各参数的定义分别如表 4-3、表 4-4、表 4-5 所示。在需要设置其中的有关参数时,按住 SEL 键保持 1 秒(或 2 秒、3 秒),就可分 别进入第一组(或第二组、第三组)参数的设定状态,使用∧或∨键可以在本组参数中选择需要设置的参 数并进行修改。当该组参数设置完成后,按 SEL 键 2 秒钟,就可返回工作状态,可继续进入其它参数组进 行设置,也可保持在工作状态开始进行控制。 6 7 在本实例中,是将该调节器作为压力调节使用的,不需要较复杂的多段升温、保温的程序,只需使其 进行简单的 PID 运算即可,因此需设置的参数不多。本例中所设置的参数如下: (1)运行控制参数 Stby(第一组) 参数 Stby 可以使仪表在控制待机状态和控制运行状态(即工作状态)之间切换。设置 STby=ON 则为 待机状态,此时可以进行参数设置,但控制和报警都无输出;Stby=OFF 为运行状态,控制及报警功能正 常进行。在此状态下也可通过 SEL 键进入参数设定状态。 (2)报警 1 动作值参数 AL1、A1-L、A1-H(第一组) 这 3 个参数都是对报警 1 的动作值进行设置的。AL1 是设定值;A1-L 是报警 1 下限值;A1-H 是报警 1 上限值。要根据所用的报警方式的不同,在这 3 个参数中进行选用。例如报警方式是高低限报警时,即 测量值超出高限或低限要报警,在高、低限之间不报警,就要分别设置 A1-H 和 A1-L;而若使用高(或低) 报警方式,即测量值超出高限(或低限)时报警,低于高限(或高于低限)时不报警,就只要对 AL1 设置 即可。本例中使用高报警方式,因此设置 AL1=10,即压力测量值超出给定值 10%时报警。 (3)控制方式参数 CTrL(第二组) 8 可设置 3 种控制方式:PID 控制、模糊控制及 PID 自整定方式。本例选用 PID 控制方式,因此设置 CTrL=PID。 (4)输入信号代码 P-n2(第二组) PXR 系列温度控制器允许使用热电阻或热电偶测量温度,也可直接输入 1~5V 直流电压或 4~20mA 直流电流。各种不同的输入信号以不同的代码来表示,如表 4-6 所示。本例中用 4~20mA 直流电流输入, 因此设置 P-n2=16。 表 4-6 输入信号代码表 输入信号 输入量程(℃) 输入量程(℉) 代码(P-n2) 电阻测温包 Pt100Ω 0~150 32~302 1 Pt100Ω 0~300 32~572 1 Pt100Ω 0~500 32~932 1 Pt100Ω 0~600 32~1112 1 Pt100Ω -50~100 -58~212 1 Pt100Ω -100~200 -148~392 1 Pt100Ω -150~600 -238~1112 1 Pt100Ω -150~850 -238~1562 1 热电偶 J 0~400 32~752 2 J 0~800 32~1472 2 K 0~400 32~752 3 K 0~800 32~1472 3 K 0~1200 32~2192 3 R 0~1600 32~2912 4 B 0~1800 32~3272 5 S 0~1600 32~2912 6 T -199~200 -328~392 7 T -150~400 -238~752 7 E 0~800 32~1472 8 E -199~800 -328~1472 8 N 0~1300 32~2372 12 PL2 0~1300 32~2372 13 DC 电压 1~5V DC 刻度范围:-1999~9999 16 DC 电流 对电流输入,应并接 250Ω 电阻,等效转换为 1~5VDC 输入 4~20mA DC (5)小数点位置设定 P-dP(第二组) 当输入类型设定为 4~20mA 电流后,仪表已规定显示形式为百分比,显示范围为 0%~100%,即显 示为 0~100。显示 1 即代表 4~20mA 量程的 1%。由于输入电流是由压力变送器输出的,压力变送器量程 为 0~1Mpa,对应输出 4~20mA 电流,则量程的 1%就对应 0.01Mpa。而压力值 0.01Mpa 近似为 0.1kg/cm2, 因此设置小数点位置为 1 位,即参数 P-dP=1,这样当显示 1%时显示的形式就变为 0.1,可近似看作为 0.1kg/cm2 的压力值。 (6)设定报警 1 动作模式 ALM1(第二组) PXR5 系列调节器具有 31 种报警方式,可通过对参数 ALM1 设置不同的报警代码来指定。各种报警 动作的模式如表 4-7 和表 4-7(续表)所示: 9 在表 4-7 中,报警代码分为标准报警代码和双报警代码。在标准报警代码中,报警动作的方式是当测 量值超过参数 AL1(在表 32-7 的作用图中以 ALn 表示,n=1、2,本例所选型号只有 1 个报警,无 AL2, 故 n 只能取 1)的设定值时报警输出触点接通(绝对值报警模式);或当测量值超过给定值 SV 一定的偏差(偏 差即参数 AL1 的设定值)时报警输出触点接通(偏差报警模式)。标准报警模式中只用到 AL1 一个参数。 而在双报警代码中,报警动作的方式是当测量值超过高限或低限时或超出 SV 的上、下偏差时报警触点动 作,要用到参数 A1-L 和 A2-H 来分别设定低限(下偏差)和高限(上偏差)。本例采用的报警方式是上偏 差报警,故设置参数 ALM1=5。因设定 AL1=10,所以本例中报警输出动作是在实际管网压力超出给定值 SV 的 10%时发生。 10 (7)P、I、D 运算数值设置(第二组) 本调节器的主要任务是对管网压力进行 PID 控制,为了使压力的变化平稳,当用水量出现波动时调节 器要及时作出响应,使管网压力尽快满足用水量的需要,同时又不能出现过大的超调量,因此要将 P、 I、D 参数设定为最佳状态。在设置 PID 参数时,需注意的是,在变频器中,内置 PID 调节功能的“P” 参数,是直接预置比例增益 Kp。而在专用的 PlD 调节器中,比例增益的大小常常是通过“比例带”来 进行调节的(PXR5 中即是)。本实例中只使用 PI 控制,未使用微分控制,设置参数 D=0,参数 P 和 I 在调试中整定。 (8)SV 设定范围 Sv-L 和 Sv-H(第三组) 参数 Sv-L 和 Sv-H 分别用于指定给定值设置范围的下限和上限。当在参数 P-n2 中设定输入信号种类 是 4~20mA 电流时,已规定 SV 和 PV 显示的单位是百分比,显示范围为 0%~100%,因此 Sv-L 和 Sv-H 的数值范围必须在 0~100 之间。本例要求压力值在 0~1Mpa 之间可任意给定,因此设置 Sv-L=0,Sv-H=100, 使 SV 设定范围为 0%~100%。 4.PLC 及控制程序的编写 (1)PLC 的选用及输入/输出端口的分配 在本实例中,PLC 用于对变频器的运行、停止进行控制,并负责三台电动机的切换。PLC 选用三菱公 司的 FX 系列,型号为 FX2N-48MR,继电器输出,输入点 24 点,输出点 24 点。PLC 的接线,其 I/O 分配表如表 4-8 所示: 表 4-8 输入/输出分配表 输入点 输入元件 功能说明 输出点 输出元件 功能说明 X0 SB1 启动按钮 Y0 RES 变频器复位 X1 SB2 停止按钮 Y4 KA1 变频器正转起动/停 止 X2 A,C 变频器异常报警 Y5 KM10 变频器电源 X3 S02 自动/手动选择开关 Y6 KM1 1#泵变频运行 X10 AL1 PID 调节器压力报警 Y7 KM11 1#泵工频运行 X11 FU 变频器输出频率下限 Y10 KM2 2#泵变频运行 X13 SU 变频器输出频率上限 Y11 KM12 2#泵工频运行 Y12 KM3 3#泵变频运行 Y13 KM13 3#泵工频运行 Y14 HL17、HA 变频器故障指示 11 (2)控制程序的分析 本例的梯形图如图 4-10 所示。 12 附:PLC 控制系统设计的一般步骤 如图 4-11 所示,PLC 控制系统的一般设计步骤可以分为以下几步:熟悉控制对象、PLC 选型及确定硬 件配置、设计 PLC 的外部接线、设计控制程序、程序调试和编制技术文件。 13

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