三菱FR-500變頻器在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用

　　1.概述
　　
　　恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。
　　
　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發(fā)展。進(jìn)入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應(yīng)快、低損耗的方向發(fā)展。作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與微計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。目前自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用PLC控制器，因PLC不僅可實(shí)現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能，可對(duì)系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運(yùn)行工況的CRT畫面顯示、故障報(bào)警及打印報(bào)表等功能。自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。
　　
　　2.控制方案
　　
　　在住宅小區(qū)水廠的管網(wǎng)系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力zui不利點(diǎn)的壓力損失ΔP和流量Q之間存在著如下關(guān)系：
　　
　　ΔP=KQ2；
　　
　　式中K—為系數(shù)
　　
　　設(shè)PL為壓力zui不利點(diǎn)所需的zui低壓力，則泵站出口總管壓力P應(yīng)按下式關(guān)系供水，則可滿足用戶用水的要求壓力值，又有*的節(jié)能效果。
　　
　　P=PL+ΔP=PL+KQ2；
　　
　　因此供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而不斷修正設(shè)定值，這種恒壓供水技術(shù)稱為變量恒壓供水，即供水系統(tǒng)zui不利點(diǎn)的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續(xù)可調(diào)。
　　
　　典型的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示；系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入至可編程控制器(PLC)的輸入模塊，信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，得出*的運(yùn)行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值，控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)CPU指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動(dòng)確定泵組的水泵的循環(huán)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。
　　
　　3.系統(tǒng)功能
　　
　　該系統(tǒng)選用FR-500日本三菱變頻器。該系統(tǒng)中具有功能：
　　
　　3.1自動(dòng)切換變頻/工頻運(yùn)行功能
　　
　　變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：
　　
　　方式0：基本工作方式。變頻器始終固定驅(qū)動(dòng)一臺(tái)泵并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率：控制其他輔助泵啟停。即當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到zui大頻率時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)輔助泵工頻運(yùn)行、當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到zui小頻率時(shí)則停止zui后啟動(dòng)的輔助泵。由此控制增減工頻運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)。
　　
　　方式1：交替方式，變頻器通常固定驅(qū)動(dòng)某臺(tái)泵，并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率，使輔助泵工頻運(yùn)行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動(dòng)的順序是泵1→泵2，當(dāng)變頻器輸出停止時(shí)，下一次啟動(dòng)順序變?yōu)楸?→泵1。
　　
　　方式2：直接方式。當(dāng)啟信號(hào)輸入時(shí)變頻器啟動(dòng)*臺(tái)泵當(dāng)該泵達(dá)到zui高頻率時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，相反當(dāng)泵停止條件成立時(shí)，先停止zui先啟動(dòng)的泵。
　　
　　3.2PID的調(diào)節(jié)功能
　　
　　由壓力傳感器反饋的水壓信號(hào)(4-20MA或-5V)直接送入PLC的A/D口(可以通過手持編程器)，設(shè)定給定壓力值，PID參數(shù)值，并通過PLC計(jì)算何以需切換泵的操作完成系統(tǒng)控制，系統(tǒng)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。
　　
　　3.3“休眠”功能
　　
　　系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到用戶用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節(jié)能，該系統(tǒng)設(shè)置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當(dāng)變頻器頻率輸出低于其下*，變頻器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止(處于休眠狀態(tài))。當(dāng)水壓繼續(xù)升高時(shí)將停止1泵，當(dāng)水壓下降到一定值時(shí)將先啟動(dòng)變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)2＃泵或3＃泵，當(dāng)頻率到達(dá)一定值后將啟動(dòng)1＃泵調(diào)節(jié)2＃或3＃泵的轉(zhuǎn)速。
　　
　　“休眠值”變頻器輸出的下限頻率PR507設(shè)置。
　　
　　“休眠確認(rèn)時(shí)間”用參數(shù)PR506設(shè)置，當(dāng)變頻器的輸出頻率低于休眠值的時(shí)間如小于休眠時(shí)間td時(shí)，即td＜tn時(shí)變頻器繼續(xù)工作，當(dāng)td＞tn時(shí)變頻器將進(jìn)入休眠狀態(tài)。
　　
　　“喚醒值”由供水壓力下限啟動(dòng)，當(dāng)供水壓力低于下限值時(shí)由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。
　　
　　經(jīng)測(cè)試“休眠值”為10HZ。“休眠確認(rèn)時(shí)間”td:20s“喚醒值”70%
　　
　　3.4通訊功能
　　
　　該系統(tǒng)具有計(jì)算機(jī)的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口PLC可選用西門子的S7-200計(jì)算機(jī)可以與一套或多套系統(tǒng)進(jìn)行通訊，利用計(jì)算機(jī)同時(shí)可以監(jiān)測(cè)：電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數(shù)。
　　
　　此外該系統(tǒng)還具有手動(dòng)/自動(dòng)操作，故障報(bào)警，運(yùn)行狀態(tài)，電流，電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護(hù)等功能。
　　
　　4.運(yùn)行特征
　　
　　以三臺(tái)水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行方式下，可編程控制器控制變頻器軟啟動(dòng)1#泵，此時(shí)1#泵進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)供水量Q<1/3Qmax時(shí)(Qmax為三臺(tái)水泵全部工頻運(yùn)行時(shí)的zui大流量)，可編程控制器CPU根據(jù)根據(jù)供水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)1#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以保證所需的供水壓力。當(dāng)用水量Q在1/3Qmax<Q<2/3Qmax之間時(shí)，1#泵已不能滿足用戶所需的用水量，這時(shí)可編程控制器發(fā)出指令將1#泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，并軟啟動(dòng)2#泵，使2#泵進(jìn)入變頻運(yùn)行工況，2#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速由用戶用水量決定，以保證供水系統(tǒng)zui不利點(diǎn)所需的供水壓力。當(dāng)外需供水量Q為2/3Qmax<Q<Qmax時(shí)，可編程控制器發(fā)出指令再將2#泵置于工頻運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)軟啟動(dòng)3#泵進(jìn)入變頻運(yùn)行工況，此時(shí)3#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速由用戶的用水量確定，以保證供水系統(tǒng)zui不利點(diǎn)的供水壓力恒定。
　　
　　當(dāng)外供水量減少至1/3Qmax<Q<2/3Qmax之間時(shí)，3#泵的轉(zhuǎn)速逐漸降至接近于零，此時(shí)可編程控制器發(fā)出1#泵退出運(yùn)行指令。在3#泵退出運(yùn)行后，3#泵的轉(zhuǎn)速逐漸升高，繼續(xù)處于變頻運(yùn)行工況，其轉(zhuǎn)速仍由外供水量決定。當(dāng)外供水量繼續(xù)減少至Q<1/3Qmax時(shí)，可編程控制器發(fā)出2#泵退出運(yùn)行指令，此時(shí)3#泵仍處于變頻運(yùn)行工況。當(dāng)外供水量再增至1/3Qmax<Q<2/3Qmax之間時(shí)，3#泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器發(fā)出1#泵軟啟動(dòng)指令并使其進(jìn)入變頻運(yùn)行工況，如此往復(fù)循環(huán)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓供水。
　　
　　5.系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
　　
　　5.1經(jīng)濟(jì)效益分析
　　
　　變量泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n1三者的關(guān)系如下式：N1/Q1=(n1/n)3Q1/Q=n1/n式中Q—額定流量，Q1<QN—額定流量Q時(shí)的軸功率n—水泵的額定轉(zhuǎn)速因額定流量Q=時(shí)，n=，N=，若n1=90%n時(shí)Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可節(jié)電27.1%。若n1=80%n時(shí)Q1=80%Q，N1=51.2%N，即可節(jié)電48.8%。
　　
　　5.2系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
　　
　　5.2.1恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。
　　
　　5.2.2由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。
　　
　　5.2.3因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。
　　
　　5.2.4水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
　　
　　5.2.5由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長(zhǎng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大。