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【乾貨】自動化項目經典案例分享:供水系統的變頻恆壓控制

【乾貨】自動化項目經典案例分享:供水系統的變頻恆壓控制

在液體或氣體輸送場合,常常要求保持所送出的液體或氣體為一個恆定的壓力值,這就是恆壓控制。

今天,小編就為大家介紹恆壓控制~

本文內容出自《自動化設備和工程的設計、安裝、調試、故障診斷》,歡迎關注~

單台水泵的恆壓控制

以單台水泵的供水系統為例,假設水泵以調速方式運行,則其恆壓控制原理框圖如下:

在圖中,設定壓力SV是工藝要求值,在PID上用按鍵輸入此值,它是我們希望保持的管網壓力值,管網上安裝的壓力感測器把實際壓力PV輸送到PID的檢測量模擬輸入端,PID比較誤差e的正負。

當誤差e為正時,說明實際壓力值PV小於設定值SV,PID的輸出u增大,變頻器的輸出增加,水泵轉速n上升,實際壓力值PV上升,當PV等於SV時,電動機轉速停止上升,管網壓力PV維持在設定值SV。

當誤差e為負時,說明管網實際壓力PV高於設定值SV,則PID輸出u減小,變頻器的輸出頻率f減小,水泵轉速n降低,管網實際壓力PV降低,當PV等於SV時,電動機轉速停止降低,管網壓力PV維持在SV。

如果積分參數I不起作用(I=0),則PID不能實現無差調節,因為PV=SV時,ei=0,則比例P和微分項D的輸出為零,PID輸出也將變為零,不能維持一定的壓力值,因此必須有無差e才能使輸出保持為一定的值,即u=P*ei

所以PID控制器的I參數其主要作用是為了實現無差(ei=0)控制,用調速方式實現恆壓控制如下圖所示。

當管網壓力用閥門調節來實現恆壓控制時,用閥門調節實現恆壓控制的原理如下圖所示。

在圖中,閥門定位器的作用是把PID輸出的4~20mA信號轉化為對應的閥門開度0~90°(全關~全開),其控制過程同第一張圖。

多台水泵的供水系統恆壓控制

對於多台水泵的供水系統,除了上述的控制過程外,還有一個增減泵的控制,一般情況下需要增加一個PLC(或類似的控制裝置)。

其控制過程為:當管網壓力PV低於設定壓力SV時,PID輸出增加,變頻器頻率增加,電動轉速增加,隨著水泵的加速,PV增加,PID的輸出一直增大到最大(20mA)時,變頻器的輸出頻率達到最高頻率(50Hz),水泵轉速達到額定轉速;如果PV仍低於SV,則PID輸出壓力低的報警(開關量)信號,PLC接到該壓力低報警信號,延時一定的時間(一般為30s~15min);如果PV一直小於SV,則說明一台水泵已經不夠用了,應使PLC控制第二台水泵投入運行,一直到開泵台數滿足要求為止,PV值基本穩定在SV值附近。

當管網壓力PV大於設定值SV時,如果PID的輸出已經最小(4mA),調速水泵停止運行,如果此時PV仍大於SV,則PID輸出壓力高的報警信號,PLC接收到此輸入信號,延時一定的時間(30s~15min),PLC控制關掉一台水泵,知道關泵台數滿足要求為止,PV值基本穩定在SV值附近。

案例分享

以3台泵為例,3台泵的恆壓變頻控制系統電氣控制圖如下圖所示。目前,很多變頻器本身自帶PID和PLC,這樣造價也低,所以在選型時可以選擇這樣的變頻器,如富士公司的FRENIC5000-P11變頻器、西門子公司的M430變頻器和愛默生公司的TD2100變頻器等。

在圖中,萬能轉換開關SA2在右邊「手動」位置時,①和②接通,③和④接通,⑤和⑥斷開,按下起動按鈕SB2,交流接觸器KM1吸合,電動機M1工頻起動;

按下停止按鈕SB1,交流接觸器KM1釋放,電動機M1停止運行;

按下起動按鈕SB4,交流接觸器KM2吸合,電動機M2工頻起動;

按下停止按鈕SB3,交流接觸器KM2釋放,電動機M2停止運行。

在圖中,萬能轉換開關SA2在左邊「自動」位置時,①和②斷開,③和④斷開,⑤和⑥接通,KA3吸合,PLC控制變頻器的起動,PID的壓力高報警信號和壓力低報警信號接在PLC的輸入端,PLC測量到壓力高報警信號或壓力低報警信號,如果一直存在該信號,延時一定時間,則PLC控制電動機M1和電動機M2起動或停止。

PLC輸出控制繼電器KA1吸合時,交流接觸器KM1吸合,電動機M1工頻起動;

PLC輸出控制繼電器KA1斷開時,交流接觸器KM1失電釋放,電動機M1停止運行;

PLC控制繼電器KA2吸合時,交流接觸器KM2吸合,電動機M2工頻起動;

PLC控制繼電器KA2斷開時,交流接觸器KM2失電釋放,電動機M2停止運行。

壓力感測器P測量管道中水的壓力,根據壓力的大小輸出3~340Ω的模擬信號到PID控制器,PID根據誤差e(=SV-PV),運算后輸出4~20mA的調節信號到變頻器的速度控制輸入端,改變水泵電動機的轉速,從而實現壓力的恆定控制。

注意:萬能轉換開關SA2的②和④觸頭不能合併為一個觸頭,否則「自動」時,繼電器KA1和KA2線圈吸合會造成手動按鈕也能起動水泵電動機。

利用PLC實現恆壓控制

在第三張圖中,如果不用PID和閥門定位器,而是利用PLC對閥門電動機直接進行開閥、關閥和停止3個動作的控制也可以實現恆壓控制。利用PLC實現恆壓控制如下圖所示。

管網壓力PV低於SV時,PLC輸出打開閥門控制信號,隨著閥門打開角度增加管網壓力PV升高,當PLC判別到PV=SV時,PLC輸出停止閥門運行信號,閥門停在使PV=SV的位置上。當PV大於SV時,PLC控制閥門關,閥門打開角度減小,當PV=SV時,PLC輸出閥門停止運行信號。

3台泵恆壓變頻控制系統元件清單見下表。

初學者請注意:斷路器有電動機型和線路型之分,由於電動機的起動電流大,所以,電動機型的斷路器,在較大的電動機起動衝擊電流下不出現跳閘,如果選成線路型的,則可能出現斷路器在電動機起動時跳閘的問題。

目前,變頻恆壓供水設備在工業用水、市政輸水、建築用水及民用小區供水等領域大量應用,它避免了用閥門調節壓力時造成的節流損失,使用也十分方便。兩者的控制系統基本一樣,只是用變頻器調節電動機的轉速代替了控制閥門開度的調節方法。

編后語

變頻恆壓控制就介紹到這裡了。看了這篇文章,相信大家不僅對於變頻恆壓控制有了清楚的認識,還對恆溫度控制、恆流量控制等其他控制也應該能舉一反三了!

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