一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法，负反馈闭环供水控制系统由执行模块、控制模块、信号检测模块和报警模块等组成，完成频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。本发明的优点是通过PLC及变频器来自动调节水泵增减、水泵的电机运行方式以及电机转速的软启软停来实现恒压供水，既防止了能量的空耗，又避免了电机启动时出现冲击电流对设备的影响，减少设备损耗，延长电机寿命；系统具有手动和智能自动的操作功能，并能根据确定的上限和下限频率自行切换水泵工频和变频的切换状态；系统具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载等故障均能诊断并报警。
【专利说明】一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及管网供水领域，具体涉及一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]由于我国水资源和电能短缺，因此高层居民建筑，市政建筑和工业循环等公共管网的供水质量及其重要，这种情况在用水高峰和低峰时表现得尤为明显。比如在用水高峰时，由于水的供给量低于用户的需求量，从而水压降低出现供不应求的情况。在用水低峰时，由于水的供给量高于用户的需求量，从而水压升高出现供过于求的情况，这时就会造成能量浪费，甚至会出现水管爆裂等用水设备的损坏。
[0003]常见的管网供水方式包括恒速泵直接供水方式，恒速泵水塔供水方式，射流泵水箱供水方式，恒速泵高位水箱供水方式，恒速泵气压罐供水方式，变频调速供水方式等，目前以变频调速供水方式应用最广。瑞典、瑞士的ABB集团采用HVAC变频技术，法国的施耐德公司利用恒压供水基板，采用“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式，可直接控制多个内置电磁接触器工作，构成不超过七台电机的供水系统。这类方案优点是微化了电路结构和降低了设备成本，缺点是输出接口的扩展功能缺少灵活性和系统的动态性能不高和稳定性低，适用范围受到限制，因为这类设备与别的监控系统和组态软件很难数据通信而且限制了系统带负载的容量。
[0004]设计变频恒压管网供水系统采取的反馈信号是管网实际压力，由于管网中有管阻和水锤等因素影响及其水泵的一些固有特性，实际压力对控制作用往往有滞后性，而且变频器在控制水泵转速时也具有一定滞后效应。理论上水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，但变频调速恒压供水系统中的定量泵运行状态造成供水系统的模型参数时变，采用变频恒压方法对各种不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等情况具有一定的通用性。
[0005]因此变频调速恒压管网供水系统要完成频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。变频器作为执行机构，为满足供水量大小需求不同时保证管网压力恒定，需在变频器添加压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。当出现突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障时，供水系统根据水泵和变频器软启动器状态、电网状况、水源水位和管网压力等进行自动切换来保证管网内压力基本恒定；故障发生时来执行专门故障程序，从而保证紧急情况下的仍能进行供水。
【发明内容】
[0006]为提高管网供水系统的供水可靠性和节能需求，本发明提供一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法。
[0007]本发明是通过以下技术方案来实现:一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法，其特征是包括:负反馈闭环控制系统包括执行模块、控制模块、信号检测模块和报警模块等。
[0008]执行模块由三台水泵组成，在供水工作时，一台水泵工作于变频状态，两台工作在工频状态；变频泵由变频调速器控制，根据用水量的变化改来变电机的转速，从而保持管网水压基本恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态；用水量很大时，变频泵变为工频泵，再启动一泵工作在变频状态。
[0009]控制模块安装在供水控制柜中，主要由供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分组成。变频恒压供水控制系统的核心是供水控制模块。控制器采集系统中的压力、液位、和报警信号，通过A/D转换将信号反馈到输入，形成负反馈变频控制系统，可以对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、控制算法，从而得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对水泵机组进行控制。
[0010]信号检测模块需要检测的信号有管网压力信号、水池水位信号和报警信号。管网压力信号是恒压供水控制的反馈信号，为模拟信号，读入PLC前，需进行A/D转换。为提高系统的可靠性，需对供水上限压力和下限压力的用电接点用压力表进行检测，然后检测结果送给PLC，此信号为数字量进行输入。水池水位信号反映了水泵的进水水源状况。
[0011]报警模块工作时，当水位信号有效，控制系统对系统实施保护控制，来防止水泵空抽进而损坏电机水泵。报警模块主要反映系统运行是否正常，例如水泵电机是否过载、变频器是否有异常等，而且此信号为开关量信号。
[0012]变频恒压供水系统保持用户管网供水的实际压力基本不变，将每天24小时分成多个时间段，因此在某个特定时段内，用户管网的实际压力基本保持在该时间段设定的压力值上。
[0013]本发明的有益效果是:
[0014]I)所述一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法，公共管网的压力变化通过PLC及变频器来自动调节水泵增减、水泵的电机的运行方式以及电机转速的软启软停来实现恒压供水，既防止了能量的空耗，又避免了电机启动时出现冲击电流对设备的影响，减少设备损耗，延长电机寿命。
[0015]2)所述一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法，具有手动和智能自动的操作功能，并能根据确定的上限和下限频率自行切换水泵工频和变频的切换状态。
[0016]3)所述一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法，具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载等故障均能诊断并报警。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为变频恒压管网供水系统闭环结构框图
[0018]图2为变频恒压管网供水系统控制原理图
[0019]图3为变频恒压管网供水系统主电路接线图
[0020]图4为变频恒压管网供水系统三菱FX2N-32MR型PLC接线图
[0021]图5为变频恒压管网供水系统三菱FR-A540系列变频器接线图
[0022]图6为变频恒压管网供水系统CY-YZ-1001型压力传感器接线图
[0023]图7为PLC工作模式选择流程图
[0024]图8为PLC自动运行模式流程图
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步说明。
[0026]如图1所示，变频恒压管网供水系统通过压力传感器检测管网出水压力，将其转换为电信号，通过A/D转换再输入PLC，将信号与本时间段设定的压力值算出偏差再进行PID运算，再将运算得出的数字信号通过D/A转换为模拟信号，再输入变频器来控制其输出频率，来控制电机转速从而控制水泵的供水流量，形成变频恒压控制闭环系统，输入为给定参数，输出为管网实际压力，反馈信号为管网实际压力与设定压力值的偏差。
[0027]如图2所示，水泵机组M中包含Ml、M2和M3三个泵，水泵Ml，M2选择额定功率为2200W的40-160(1)4型，水泵10选择额定功率30001的40-160(1)型。当系统通电后，启动变频器拖动变频水泵机组中的Ml工作，得出压力传感器测得的用户管网实际压力值和设定压力偏差，经过PID运算，输出数字信号，经过D/A转换成模拟信号，根据此信号来调节变频器输出频率，进而调节电机转速和水泵抽水量，当供水量与用水量平衡时，转速稳定到一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。
[0028]当用水量增加时，水压减小，压力变送器反馈的实际水压信号减小，偏差变大，经PID运算后PLC的输出的数字信号也变大，进而变频器的输出频率也变大，则电机转速增大，即供水量增大，水泵转速达到某一稳定值；反过来，用水量减少时，水压增加，压力变送器反馈的实际水压信号变大，所以偏差变小，经PID运算后PLC的输出的数字信号也变小，进而变频器的输出频率也变小，则电机转速减小，即供水量减少，水泵转速达到某一稳定值。
[0029]当变频器的输出频率达到上限频率时，但用水量继续增加，而且此时管网实际压力值未达到设定压力值，在满足增加水泵的条件时，在PLC的控制下首先变频水泵机组中的Ml变为工频运行，再自动启动水泵M2变频运行，此时系统在变频器输出频率为下限频率开始工作，水量继续增加时输出频率增加调速，达到上限频率时，用水量继续增加，同上述启动水泵M3变频运行，水泵M2变为工频运行，输出频率增加到上限频率，用水量继续增加时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
[0030]当变频器的输出频率降至下限频率时，用水量下降，水压升高，用户管网的实际水压高于设定压力值，在满足减少水泵的条件时，则按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。因为电网限制、变频器工作频率限制和电机工作频率限制，则频率调节的上限频率为50HZ。理论上下限频率不能为负值，最低为0，实际应用中管网水压反推水泵，施加电机反向力矩，水压也会阻止源水池的水被抽进管网，因此电机运行频率下降到某值，水泵就会抽不出水，此时的频率为下限频率，一般在20HZ，所以上限和下限频率分别为50HZ、20HZ。
[0031]当变频器的输出频率达到上限频率时，而且管网实际压力在此频率上下波动，满足水泵切换条件时，而且设定压力大于反馈压力，则进行机组切换，新增加的机组后变频器的输出频率从下限频率开始工作，用水量继续增加时，输出频率增加来调节电机转速；如果此时满足机组切换的停机条件，需要将一工频泵停机。由于实际应用中存在供水压力超调和现场干扰使实际压力的测量值存在尖峰，这两种影响可能会使机组切换的判别条件在比较短的时间内满足，使水泵切换受到干扰，影响水泵寿命，所以实际判别条件还需增加回滞环判决。
[0032]如图3所示，电机在两种状态下运行即工频运行和变频运行，其中KMl、KM3、KM5分别为电动机Ml、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM2、KM4、KM6分别为电动机Ml、M2,M3变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器FR工作原理是利用电流的热效应来保护电路，FRl、FR2、FR3作用分别是电动机Ml、M2、M3的过载保护，热继电器FRl，FR2选择额定电流为5?8A的TK-E02T-C型号，FR3选择额定电流为6?9A的TK-E02U-C型号。熔断器FU1，FU2，FU3是电路中的一种比较简单的短路保护装置，它用来防止电气设备短路和严重过载，选择RT18型号。
[0033]如图4所示，由于电动机M1，M2，M3需要过载报警，所以要三个过载输入端，一个报警输出端；控制启动和停止需要两个输入端，手动控制M1，M2，M3工频和变频运行要6个输入端，水泵Ml，M2，M3工频/变频运行要六个输出端；手动/自动起动要一个输入端，变频器上下限频率检测信号要两个输入端，系统停止要一个输入端；因此，至少需要15个输入，9个输出，所以本发明采用具有I/O点数16/16的三菱FX2N-32MR型PLC。
[0034]XO接的是起动按钮，Xl接的是停止按钮，X2接的是变频器的接口 FU，X3接的是变频器的接口 0L，X4，X5，X6接的分别是Ml，M2，M3的热继电器FR1，FR2，FR3 ；X7是手动控制Ml工频运彳丁的输入纟而，XlO是手动控制Ml变频运彳丁的输入纟而；X11是手动控制M2工频运灯的输入纟而，X12是手动控制M2变频运彳丁的输入纟而；X13是手动控制M3工频运彳丁的输入立而，X14是手动控制M3变频运行的输入端。
[0035]YO接的是KM2用来控制Ml的变频运行，Yl接的是KMl用来控制Ml的工频运行；Y2接的是KM4用来控制M2的变频运行，Y3接的是KM3用来控制M2的工频运行；Y4接的是ΚΜ6用来控制M3的变频运行，Υ5接的是ΚΜ5用来控制M3的工频运行；Υ6接的是ΚΜ7用来控制变频器的关断和运行。
[0036]在控制Ml电动机的两个接触器ΚΜ1，ΚΜ2分别串入ΚΜ2，KMl的常闭触头，这种接线用来形成互锁，防止电动机Ml同时处于工频和变频状态；在控制电动机M2的两个接触器ΚΜ3，ΚΜ4分别串入ΚΜ4，ΚΜ3的常闭触头来形成互锁；在控制电动机M3的两个接触器ΚΜ5，ΚΜ6分别串入ΚΜ6，ΚΜ5的常闭触头来形成互锁。
[0037]如图5所示，本发明采用三菱FR-A540系列变频器。变频器FU与PLC的Χ2相连，OL与PLC的Χ3相连，SE与PLC的COM端口；因此，频率检测的频率上下限信号通过FU和OL分别输出到Χ2和Χ3，用来控制加减水泵；STF与PLC的Y7连接，用来控制电机的正转。
[0038]如图6所示，本发明采用CY-YZ-1001型压力传感器，工作温度是5?60°C，供电电源是DC28±3V，量程是O?2.5MPa。
[0039]如图7所示，本发明的变频调速恒压管网供水系统自动运行时，当现有工作的水泵不能满足恒压的要求，变频频率达到上下限，这时需要增泵或减泵；系统手动运行时，可根据按钮的操作，来控制水泵的运行状态或停止。
[0040]如图8所示，本发明自动运行模式中，利用PLC控制电机变频运行或者工频运行，当变频频率达到上限频率的时候，由于用户用水继续增加，压力继续减少，变频器输出频率最高也不能满足恒压要求，需要继续增加管网压力，即增加抽水速度，这时需要另外启动一个水泵，启动前，需将之前变频运行的电机转为工频，新启动的电机为变频启动；当变频频率达到下限频率的时候，由于用户用水继续减少，压力上升，这时变频器输出频率达到最低仍不能满足恒压要求，需要继续减少管网压力，即减少抽水速度，这时需要停止一个工作在工频状态的水泵，按照谁先进入工频先停止谁的原则，进行减少运行水泵。
[0041]上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。
【权利要求】
1.一种变频调速恒压管网供水系统及其控制方法，其特征包括:负反馈闭环控制系统由执行模块、控制模块、信号检测模块和报警模块等组成，完成频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。 1)所述执行模块由三台水泵组成的水泵机组构成，在供水工作时，一台水泵工作于变频状态，两台工作在工频状态；变频泵由变频调速器控制，根据用水量的变化改来变电机的转速，从而保持管网水压基本恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态；用水量很大时，变频泵变为工频泵，再启动一泵工作在变频状态。 2)所述控制模块安装在供水控制柜中，主要由供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分组成，变频恒压供水控制系统的核心是供水控制模块；控制器采集系统中的压力、液位、和报警信号，通过A/D转换将信号反馈到输入，形成负反馈变频控制系统，可以对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、控制算法，从而得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对水泵机组进行控制。 3)所述信号检测模块检测的信号有管网压力信号、水池水位信号和报警信号，管网压力信号是恒压供水控制的反馈信号，为模拟信号，读入PLC前，需进行A/D转换；为提高系统的可靠性，需对供水上限压力和下限压力的用电接点用压力表进行检测，然后检测结果送给PLC，此信号为数字量进行输入，水池水位信号反映了水泵的进水水源状况。 4)所述报警模块工作时，当水位信号有效，控制系统对系统实施保护控制，来防止水泵空抽进而损坏电机水泵；报警模块主要反映系统运行是否正常，例如水泵电机是否过载、变频器是否有异常等，为开关量信号。
【文档编号】E03B11/16GK104196088SQ201410455127
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】陶洪峰, 陈大朋, 邹伟 申请人:江南大学