变频恒压供水控制方案

1、引言
　　变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，因其具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点而受到越来越多的企业的青睐，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果给众多的企业带来了巨大的经济效益。特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身已非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。
　　现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器(PLC)由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员的欢迎。
(1) 可靠性高，抗干扰能力强
　　其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。
(2) 适应性强，应用灵活
　　多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。
(3) 编程方便，易于使用
　　梯形图语言和顺控流程图语言(Sequential Function Chart)使编程简单方便。
(4) 控制系统设计、安装、调试方便
　　设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验进行模拟调试。
(5) 维修方便，工作量小
　　PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理。
(6) 功能完善
　　除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。
由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。
2、系统构成及控制方案
　　整个恒压供水系统有两台变频泵为一用一备。一台变频器拖四台水泵组成；系统以PLC为控制核心，由PLC采集压力信号和输出控制变频泵的运行.
　　PLC选用的是三菱公司FX2N-32MR，变频器选用的是台湾普传PI-8100F型变频器。系统由量程为0~1.0Mpa的压力变送器检测水泵后的输水管道的压力，压力变送器将检测到的压力信号转换为4~20mA的电流信号，送到PLC的模拟量输入模板，通过PLC的PID运算，由模拟量输出模板输出4~20mA的电流控制变频泵的运行。
3、系统工作原理
该系统具有手动和自动两种运行方式:
手动运行方式
　　选择手动运行方式时，根据需要，通过按启动和停止按钮，来控制各水泵。这种方式只在系统出现故障时使用。
4、自动运行方式
(1) 启动程序
　　在自动运行时，首先检测4泵是否有泵出现故障，如果1＃泵出现故障，则通过触摸屏在线修改该水泵的状态，把1＃泵设为故障状态，则系统启动时，自动不启动1＃泵。1＃泵无故障，如果满足要求，则1＃泵变频交流接触器吸合，电机和变频器连通，同时打开1＃泵的电磁阀，通过检测压力的大小，PLC经过PID运算，此时变频器的输出频率从0Hz开始上升，如果压力不够，则上升到50Hz，延时后，将1＃泵切换到工频，再启动2＃泵，依次类推，直到出水压力达到设定压力。
(2) 水泵切换程序
　　根据流量传感器检测到的流量的大小，如果出水量减少，出水压力过大，则PLC控制变频器的输出频率，减少出水量来稳定出水压力。如果变频器的输出频率在20Hz，此时PLC开始计时，如果出水压力降低，则放弃计时;如果出水压力一直高于设定压力，到一定时间后，则根据先投先停的原则，PLC将先关闭正在运行的投入时间最长的泵的电磁阀，再关闭该泵，直到出水压力达到设定值。
　　为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。我们在变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出输水管线上的压力；在PLC程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，操作员可以在触摸屏上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”：变频恒压供水系统控制图形界面工作站；对1#压力和2#压力值进行比较，相差0.1Mpa时，判断为，其中一只压力变送器出现故障，变频器控制转换为直接手动调频控制。压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为直接手动调频控制，否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV。
　　系统具有显示报警功能,系统设置有各种显示功能，可以显示电压、电流、压力、变频器输出频率、电机转速等参数，同时设置各种保护功能，如过流保护、过压保护、过载保护、欠压保护等。
5、节能原理
　　水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比，因此，水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。
　　由此可知，当要求出水量减少时，可使电机转速降低，而电机转速微量减少，将使功率大幅下降，节能效果十分明显。本变频调速系统经过优化设计，精心的设备选型，合理的编程，配合正确的信号给定，使得电机始终处于最佳运行状态，节能挖潜得到了最大的发挥。
6、间接效益
　　(1) 水泵进行变频调速改造以后，由于系统采用软启动连续变速运行，减少了对水泵的磨损，大大延长了设备使用寿命和维修周期，减少了维修费用和由此带来的直接经济损失;
　　(2) 系统采取过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因电机烧损而影响生产所带来的直接和间接经济损失。
7、结束语
　　用变频调速和PLC来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是:起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应。本系统经多年应用与完善，性能优越，安全方便，深得用户好评。