CN102465547A - 一频一泵恒压供水设备控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一频一泵恒压供水控制系统，包括控制系统运行及控制变频器输出频率的控制单元(6)、设置系统参数及监控运行数据的人机界面(7)、控制水泵电机转速的变频器(5a、5b、5c)以及与控制单元相连的用于采集外部反馈信息的传感仪表组(1、3、4)，所述的控制系统为被控泵组中的每台水泵(2a、2b、2c)均搭配一台变频器，并采用同频同速控制技术控制进行恒压供水。

Description

一频一泵恒压供水设备控制系统

技术领域

本发明属于供水和控制技术领域，具体指一频一泵恒压供水设备控制系统。

背景技术

随着变频技术的发展，利用变频实现恒压供水已成为城市供水的一种趋势。在传统的恒压供水设备中，一台变频器控制多泵循环的恒压供水系统，在电气设计中十分流行。其控制方式为一控二，一控三，…，一控n(n为水泵台数)，简称一控多控制方式。具体指传统恒压供水设备控制系统里面只包含一台变频器，而该控制系统所控制的水泵，视供水设备的供水规模、容量而定，通常有二台、三台或多台水泵，每台水泵有一台电机。

如图1所示为一控三恒压供水控制系统图，以变频控制“1号泵”开始，当供水需求增大时，“1号泵”到达额定频率，水压不足时，切换至工频，变频控制“2号泵”；当“2号泵”到达额定频率，水压依旧不足时，切换至工频，变频控制“3号泵”；反之，当供水需求减少时，则先从“1号泵”，然后“2号泵”依次退出工作，一次泵循环启动、停止过程完成。实际生产运行中根据供水需求周而复始的进行这一过程。在一控多方案中，变频器利用自身的调速特性，在作实现恒压供水调节器的同时，兼作多台泵的启动器。其不足之处在于：

(1)对变频器的影响：由于变频器兼作多台泵的启动器，在变频器输出接触器与工频输出接触器之间必然有一个切换过程，而通过整流、逆变的变频输出与工频输出在频率、幅值以及相位都存在着一定的差异，所以目前在变频器输出与工频输出之间切换一般均采用异步切换的方式。以图2中1号泵为例，在切换过程中必须是先断开变频接触器KM1，才可合上工频接触器KM2。可见，在异步切换中存在着一个变频甩负荷，电机失电的暂态过程，而这个暂态过程不可避免的给变频器和电机带来一定的不利影响。从生产的角度要求对于恒压供水系统，保证压力的恒定是其最终的目的，而每天的用水负荷又是经常变化的，因此变频、工频的切换也是频繁的，这种长期作用势必大大缩短变频器的使用寿命。

(2)切换对电机的影响：在发生异步切换时，首先KM1断开，此时的情况是定子开路，定子旋转磁场消失；而转子在惯性动能的作用下，继续旋转，在转子电流衰减为零之前，旋转的转子磁场在定子绕组中感生出感应电动势，其大小与转子电流有关，随着转子电流的衰减而消失。而转子的动能则消耗在负载转矩上，尔后KM2合上。在这一切换过程中，若转子仍有剩余动能将会反送到工频电网，它以减小电机的启动电流形式出现。这正是目前变频器兼作启动器的理论依据。而事实上，由于定子磁场能量以反电势的形式出现，一旦提供放电通路，将会产生很大的瞬时电流，小放电则形成很大的反电势，导致KM2合上后产生巨大的冲击电流，最大可达额定电流的十倍以上。转子动能减小的启动电流与之相比微乎其微。

(3)对管网的影响：在电动机带水泵负载时，切换发生瞬间，水泵在水压作用下迅速停车，产生巨大的“水锤”效应，在水泵受损害的同时，因高水压与定子反电势叠加，电动机也将承受10倍额定电流以上的冲击电流，常常使工频断路器1QF～3QF跳闸，导致切换失败，甚至引起电动机损坏。由于上述系统设计的局限性，切换失败的情况在工程实践中经常发生。

(4)对出水压力的影响：在工频加、减泵时设备供水压力无法平稳过渡。在工频启用的时候，对供水压力造成冲击。循环软启动方式时，供水压力曲线呈负向脉冲；其它方式启动时，供水压力曲线呈正向脉冲。

(5)如果变频器故障：实践证明，即使当今世界是最先进的变频器也难以保证不出故障。但是现在二次供水设备生产企业普遍要销售该设备到很远的城市，而往往并未对该型变频器备有库存，即使有库存要将变频器空运到故障现场也要较长时间，少则两三天，多则四五天，而这段时间故障现场普遍只能停水，影响了用水安全。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种采用一频一泵控制技术的恒压供水设备控制系统，它具有软启软停、供水压力稳定、节约用电等诸多优点，提高了二次供水设备的可靠性，更好地保证用户的用水安全。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提出的恒压供水设备控制方法，是采用一频一泵控制方式，即一台水泵搭配一台变频器，具体指，恒压供水设备的配套水泵有几台，本控制系统就为其配置几台变频器，其结构如图1所示。本控制系统包括控制柜体、源水水位感应开关、出水电接点压力表、出水压力传感仪表，控制柜体上设有变频器、控制单元、人机界面。

上述控制单元包括微电脑控制器，其中微电脑控制器可以是PLC。

上述控制单元包括A/D、D/A转换模块，A/D转换模块连接出水压力传感仪表，对出水压力信号进行采样，反馈给控制单元进行PID计算；D/A转换模块连接变频器模拟量输入端子，用于将控制单元进行PID计算后的信号转换成模拟量信号，并以此控制变频器的运行频率，以达到控制水泵转速的目的。出水压力传感仪表3可以是远传压力表，也可以是压力变送器。

上述控制单元还可根据反馈压力信号与目标压力进行PID运算，结果用于控制水泵转速，达到恒压供水的目的。

上述控制单元还可计算反馈压力信号上升和下降的速率，并以此判断出水端流量大小，配合水泵运行频率，可作为增加运行水泵台数或减少运行水泵台数的依据。在多台水泵并列运行时，各水泵均以相同的转速运行，以达到节能的目的，有实践数据证明，在多台水泵以同频率同转速(简称同频同速)并列运行最节能。还可据此判断出水端流量是为零，在出水端流量接近零时，自动停止最后一台水泵，系统进入休眠状态，避免不必要的浪费。

上述人机界面与微电脑控制器相连接，设置、调节参数，监控运行数据，达到人机交互的目的，其中人机界面可以是文本显示器。

上述微电脑控制器连接源水水位感应开关，用于判断源水是否正常，如果停水则停机，如果来水则开机，达到源水缺水保护的目的；连接出水电接点压力表，用于判断出水是否正常，如果压力超高则停机，如果压力正常则恢复开机，达到压力超高保护的目的；

本发明的有益效果：

1、与一控多控制系统相比，本系统所控制的水泵采用同频同速的方式运转，更节能。

2、因每台水泵均有固定的专用变频器控制，软启软停，消除了启动时的冲击电流，消除水锤现象。

3、因有多台变频器，无论任何一台水泵、变频器故障均不影响供水设备的正常运行，有效地保证了供水设备的供水安全。

4、系统因用水量增加、减少而自动加、减水泵时，出水压力波动范围＜0.03MPa。

5、因去掉了接触器中间继电器等大量二次回路器件、线路，系统简单可靠。

6、变频器相对传统的热继器而言，保护功能更丰富、更有效。

附图说明

图1为传统控制系统结构图示。

图2为本发明的结构图示。

图3为本发明模拟量输入输出框图。

图中标号：1为源水水位感应开关，2为水泵，3为出水压力传感仪表，4为出水电接点压力表，5a为1#变频器，5b为2#变频器，5c为3#变频器，6为控制单元，7为人机界面，8为微电脑控制器，9为A/D转换模块，10为D/A转换模块，11为源水接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示，本发明一种采用一频一泵控制技术的恒压供水设备控制系统，设有控制柜体、源水水位感应开关1、出水电接点压力表2、出水压力传感仪表3，控制柜体上设有变频器5、控制单元6、人机界面7。

控制单元6包括微电脑控制器8，其中微电脑控制器可以是PLC，也可以是单片机。

控制单元6包括A/D转换模块9、D/A转换模块10，A/D转换模块9连接出水压力传感仪表3，对出水压力信号进行采样，微电脑控制器8读取A/D转换模块9的压力数据作为压力反馈信号，与设定的目标压力值进行PID运算，经PID运算后的数据通过D/A转换模块10转换成0～10V模拟量信号，传输到与之相连的变频器，并以此控制水泵的转速，达到恒压供水的目的。出水压力传感仪表3可以是远传压力表，也可以是压力变送器。

D/A转换模块10的输出端连接到变频器5的0～10V输入端，用于将微电脑控制器8输出的离散量数据转换成0～10V模拟量电压信号，变频器5依据0～10V电压信号输出相应的频率控制水泵转速，D/A转换模块10的数量与变频器5的数量相同，即每台变频器均对应配置一个D/A转换模块。

控制单元6还可计算反馈压力信号上升和下降的速率，并以此判断出水端流量大小，配合水泵运行频率，可作为增加运行水泵台数或减少运行水泵台数的依据。在多台水泵并列运行时，各水泵均以相同的转速运行，以达到节能的目的，有实践数据证明，在多台水泵以同频率同转速(简称同频同速)并列运行最节能。还可据此判断出水端流量是否为零，在出水端流量接近零时，自动停止最后一台水泵，系统进入休眠状态，避免不必要的浪费。

人机界面7与微电脑控制器8相连接，设置、调节参数，监控运行数据，达到人机交互的目的，其中人机界面可以是文本显示器，也可是触摸屏。

微电脑控制器8连接源水水位感应开关1，用于判断源水是否正常，如果停水则停机，如果来水则开机，以达到源水缺水时，系统自动停机保护的目的。源水水位感应开关1在不同的使用环境可以选用不同的水位探测设备。如源水接口11接稳流罐，则源水水位感应开关可以是电接点压力表；如源水接口11接水箱，则源水水位感应开关可以是电缆浮球开关。

微电脑控制器8连接出水电接点压力表2，用于判断出水是否正常，如果压力超高则停机，如果压力正常则恢复开机，达到出水压力超高时，系统自动停机保护的目的。

下面结合实施例说明这种控制系统的控制方法，如图3所示

首先根据实际情况设定目标压力值，睡眠频率值。

出水压力传感仪表3实时跟踪出水管网压力状态，将出口压力转换成4～20mA电流信号，经A/D转换模块9将模拟电流信号转换成数字量并送入微电脑控制器8，经微电脑控制器8内部PID运算，得出一调节参量，并将该参量送入D/A转换模块10，经数模转换后得出0～10V模拟量电压信号传送至变频器，通过变频器输出频率的变化进而控制水泵的转速，当用水量增加时转速提高，当用水量减少时转速降低，时刻保证用户的用水压力恒定。

在无人用水或用水量很小时，变频器会输出一个较低的频率，如果输出频率小于睡眠频率值，延时一定时间后，微电脑控制器8会发出停止指令控制变频器停止输出，水泵停止运行转，系统进入睡眠节能状态。在此期间如果用水量加大，输出频率大于睡眠频率值，微电脑控制器8会中止睡眠计时，等待下一次睡眠时机。

系统睡眠后，如果有人用水，出水压力传感仪表3所跟踪的出水管网压力会降低，当压力低于用户所需压力时，控制单元6自动控制变频器启动，调节水泵转速提高，直到管网压力上升到用户所需压力，并通过PID运算进行恒压供水。

微电脑控制器8会根据出水压力传感仪表3所跟踪的出水管网压力和水泵运转频率及台数判断用水量大小，在用水量较小时，水泵2a工作，用水量增加，水泵2a的转速也随之增加，如达到水泵额定转速仍无法满足用户用水要求时，微电脑控制器8会通过变频器b启动水泵2a，此时变频器b的输出频率上升，变频器a的输出频率在PID运算控制下会自动下降，直到二者输出频率相等，此时水泵2a和水泵2b工作在同频同速模式。如果用水量继续增加至2台水泵同时工作仍无法满足用户用水需求时，微电脑控制器8会通过变频器c启动水泵2c，3台水泵并列运转的工作模式同2台水泵，也是工作在同频同速模式。反之，当用水量减少时，微电脑控制器8根据需要减少运转水泵台数。

实践证明，在多泵并列运行时，同频同速工作模式和传统的一控多控制方式相比具有明显的节能效果。

Claims (5)

1.一频一泵恒压供水控制系统，包括控制系统运行及控制变频器输出频率的控制单元、设置系统参数及监控运行数据的人机界面、控制水泵电机转速的变频器以及与控制单元相连的用于采集外部反馈信息的传感仪表组，其特征在于，所述的控制系统为被控泵组中的每台水泵均搭配一台变频器，并采用同频同速控制技术控制进行恒压供水。

2.根据权利要求1所述的一频一泵恒压供水控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：微电脑控制器，用于对输入信息进行运算和存储，并输出；

A/D转换模块，连接出水压力传感仪表，用于对出水压力信号进行采样，然后将压力数据反馈给微电脑控制器；

D/A转换模块，连接变频器模拟量输入端子，用于将控制单元进行PID计算后的信号转换成模拟量信号，并以此控制变频器的运行频率，以控制水泵转速。

3.根据权利要求1或2所述的一频一泵恒压供水控制系统，其特征在于，变频器可以有多台，其台数与被控泵组的台数相同，每台水泵均有一台与之匹配的变频器，与之相对应，连接变频器的D/A转换模块也有多组。

4.根据权利要求1所述的一频一泵恒压供水控制系统，其特征在于，在多台水泵并列运转时其控制方式是采用同频同速的控制模式，此时，每台运行的水泵转速相同。

5.根据权利要求1述的一频一泵恒压供水控制系统，其特征在于，所述的用于采集外部反馈信息的传感仪表组包括：

出水压力传感仪表，用于测量泵组供水压力值；

出水电接点压力表，测量供水压力高限，作为控制单元判断出水压力超高保护的依据；

源水水位感应开关，测量源水水位，作为控制单元判断源水无水的依据。

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