三菱FR500變頻器在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用
摘要：文中先容了恒壓供水的控制策略，分析了典型的恒壓供水系統(tǒng)控制方案。闡述了應(yīng)用該恒壓供水系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：恒壓供水 控制策略 經(jīng)濟效益
1.概述
恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(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際值進行比較，其差值輸進CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(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進步，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。進進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算機技術(shù)有機結(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，使得交流異步電動機調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場巨大的技術(shù)革命。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機調(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，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運行工況的CRT畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網(wǎng)，實現(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、治理、監(jiān)控及經(jīng)濟運行的手段。
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)中壓力最不利點的壓力損失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為壓力最不利點所需的最低壓力，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，又有最佳的節(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)最不利點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，實時將壓力、流量非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸進至可編程控制器（PLC）的輸進模塊，信號經(jīng)CPU運算處理后與設(shè)定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數(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，控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環(huán)運行，以進步系統(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自動切換變頻/工頻運行功能
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)動一臺泵并實時根據(jù)其輸出頻率：控制其他輔助泵啟停。即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時則停止最后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數(shù)。
方式1：交替方式，變頻器通常固定驅(qū)動某臺泵，并實時根據(jù)其輸出頻率，使輔助泵工頻運行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵1→泵2，當變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變?yōu)楸?→泵1。
方式2：直接方式。當啟信號輸進時變頻器啟動第一臺泵當該泵達到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。
3.2 PID的調(diào)節(jié)功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號（4-20MA或-5V）直接送進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計算何以需切換泵的操縱完成系統(tǒng)控制，系統(tǒng)參數(shù)在實際運行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。
3.3“休眠”功能
系統(tǒng)運行時經(jīng)常會碰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)專用設(shè)置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下限時，變頻器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止（處于休眠狀態(tài)）。當水壓繼續(xù)升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉(zhuǎn)2#泵或3#泵，當頻率到達一定值后將啟動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。
“休眠確認時間”用參數(shù)PR506設(shè)置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間如小于休眠時間td時，即td＜tn時變頻器繼續(xù)工作，當td＞tn時變頻器將進進休眠狀態(tài)。
“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當供水壓力低于下限值時由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。
經(jīng)測試“休眠值”為10HZ。 “休眠確認時間”td:20s “喚醒值”70%
3.4通訊功能
該系統(tǒng)具有計算機的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口PLC可選用西門子的S7-200計算機可以與一套或多套系統(tǒng)進行通訊，利用計算機同時可以監(jiān)測：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/自動操縱，故障報警，運行狀態(tài)，電流，電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護等功能。
4.運行特征
以三臺水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)在自動運行方式下，可編程控制器控制變頻器軟啟動1#泵，此時1#泵進進變頻運行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速逐漸升高，當供水量Q<1/3Qmax時（Qmax為三臺水泵全部工頻運行時的最大流量），可編程控制器CPU根據(jù)根據(jù)供水量的變化自動調(diào)節(jié)1#泵的運行轉(zhuǎn)速，以保證所需的供水壓力。當用水量Q在1/3Qmax
當外供水量減少至1/3Qmax
5.系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點
5.1經(jīng)濟效益分析
變量泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n 1三者的關(guān)系如下式： N1/Q1=（n 1/n）3 Q1/Q= n 1/n 式中Q—額定流量，Q1
5.2系統(tǒng)優(yōu)點
5.2.1恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調(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，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。
5.2.3因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動控制，不需要操縱職員頻繁操縱，降低了職員的勞動強度，節(jié)省了人力。
5.2.4水泵電動機采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機忽然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
5.2.5由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大。
關(guān)鍵詞：恒壓供水 控制策略 經(jīng)濟效益
1.概述
恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(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際值進行比較，其差值輸進CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(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進步，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。進進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算機技術(shù)有機結(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，使得交流異步電動機調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場巨大的技術(shù)革命。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機調(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，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運行工況的CRT畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網(wǎng)，實現(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、治理、監(jiān)控及經(jīng)濟運行的手段。
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)中壓力最不利點的壓力損失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為壓力最不利點所需的最低壓力，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，又有最佳的節(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)最不利點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，實時將壓力、流量非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸進至可編程控制器（PLC）的輸進模塊，信號經(jīng)CPU運算處理后與設(shè)定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數(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，控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環(huán)運行，以進步系統(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自動切換變頻/工頻運行功能
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)動一臺泵并實時根據(jù)其輸出頻率：控制其他輔助泵啟停。即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時則停止最后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數(shù)。
方式1：交替方式，變頻器通常固定驅(qū)動某臺泵，并實時根據(jù)其輸出頻率，使輔助泵工頻運行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵1→泵2，當變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變?yōu)楸?→泵1。
方式2：直接方式。當啟信號輸進時變頻器啟動第一臺泵當該泵達到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。
3.2 PID的調(diào)節(jié)功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號（4-20MA或-5V）直接送進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計算何以需切換泵的操縱完成系統(tǒng)控制，系統(tǒng)參數(shù)在實際運行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。
3.3“休眠”功能
系統(tǒng)運行時經(jīng)常會碰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)專用設(shè)置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下限時，變頻器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止（處于休眠狀態(tài)）。當水壓繼續(xù)升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉(zhuǎn)2#泵或3#泵，當頻率到達一定值后將啟動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。
“休眠確認時間”用參數(shù)PR506設(shè)置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間如小于休眠時間td時，即td＜tn時變頻器繼續(xù)工作，當td＞tn時變頻器將進進休眠狀態(tài)。
“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當供水壓力低于下限值時由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。
經(jīng)測試“休眠值”為10HZ。 “休眠確認時間”td:20s “喚醒值”70%
3.4通訊功能
該系統(tǒng)具有計算機的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口PLC可選用西門子的S7-200計算機可以與一套或多套系統(tǒng)進行通訊，利用計算機同時可以監(jiān)測：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/自動操縱，故障報警，運行狀態(tài)，電流，電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護等功能。
4.運行特征
以三臺水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)在自動運行方式下，可編程控制器控制變頻器軟啟動1#泵，此時1#泵進進變頻運行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速逐漸升高，當供水量Q<1/3Qmax時（Qmax為三臺水泵全部工頻運行時的最大流量），可編程控制器CPU根據(jù)根據(jù)供水量的變化自動調(diào)節(jié)1#泵的運行轉(zhuǎn)速，以保證所需的供水壓力。當用水量Q在1/3Qmax
當外供水量減少至1/3Qmax
5.系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點
5.1經(jīng)濟效益分析
變量泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n 1三者的關(guān)系如下式： N1/Q1=（n 1/n）3 Q1/Q= n 1/n 式中Q—額定流量，Q1
5.2系統(tǒng)優(yōu)點
5.2.1恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調(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，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。
5.2.3因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動控制，不需要操縱職員頻繁操縱，降低了職員的勞動強度，節(jié)省了人力。
5.2.4水泵電動機采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機忽然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
5.2.5由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大。
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