热水采暖系统中补水控制的改造

热水采暖系统中补水控制的改造胡立如山东省兖矿集团北宿煤矿摘要：介绍了用变频器和可编程控制器改造补水控制的方法，调试步骤及安装调试注意事项，可为一般供水工程提供参考。关键词：变频器可编程控制器PID补水改造AlterationofWater-supplyControlinWarmSystemforHotWaterHuLiruAbstract:Thearticleintroducedtousethefrequencyconversionmachinetorepairthemethodofthewatercontrolwiththeprogrammablelogiccontrollerreformation,adjustingtotryastep,installingtoadjusttotryaregulation,canprovideareferenceforthegeneralwatersupplyworks.Keywords：frequencytransducersPLCPIDsupplywaterareformation在热水循环采暖系统中，由于管路、阀门有泄漏及正常的排污，会造成水的损耗，引起管网压力下降，为了保持管网压力，使系统正常循环，补水泵就是必不可少的设备。我单位原来补水控制用的是传统的继电器接触器控制系统，用电接点压力表控制继电器，压力低时启动补水泵，压力高时停止补水泵。此种控制有很多缺点，首先是压力不稳，因水泵是间断补水，整个管网的压力就在设定的高压力和低压力之间反复波动；其次是水泵的频繁启动，对管路和水泵等设备造成了冲击，不但使水泵的密封件很快泄漏，轴承寿命缩短，还容易引起单向止回阀门失灵，使补水倒流；第三是电接点压力表易损坏，因压力不稳，仪表震动及上下限触点频繁接通、断开，使触点粘连或接触不良，造成控制失效，引起管网压力超高和过低，给安全运行带来隐患。第四是控制功能简单，两台补水泵只能有一台受压力控制，当采暖初期或者运行时失水过多，需要向管网大量补水时，都要手动启动另一台泵，当压力升高时，还要手动停止，使用很不方便。签于上述原因，于2004年对补水控制进行了改造，增加了可编程控制器（PLC）、变频器、比例积分微分控制器（PID）和压力变送器。PLC体积小、重量轻、安装方便、易编程，可以实现复杂的控制功能，在此就用其完成了两台泵的5种组合控制（1号2号工频；1号变频2号工频；1号变频1号自动投入；2号变频1号工频；2号变频1号自动投入）。变频调速具有调速范围宽，平滑性高，机械特性硬的优点，是异步电动机最合理的调速方法。采用变频调速后，实现了软起动、软停机，对电机和水泵的冲击都大大减小，而且由于水泵基本上是在额定转速以下运行，更能使设备寿命大幅延长。同时水泵运行的振动和噪音也明显降低。PID控制器和压力变送器、变频器配合，可以实现精确的控制，使压力保持恒定。补水控制改造后，经过一年多的运行，使用效果良好，整个系统实现了全自动运行，基本上不用人工干预。在采暖初期，将转换开关打到一台变频一台自动投入位置，可以快速补水，达到设定压力时，工频泵自动停止。在检修水泵时，只要将转换开关切换至一台变频一台工频位置，并将工频断路器断开，就可以从容检修。需要调整压力时，在PID上调节非常方便直观，实际运行时，偏差不超过0·01MPa，非常稳定。而水泵也在节能状态下运行，实际频率在21~25Hz之间变化，用机械式钳形电流表测进线电流，几乎固定在3A。改用6266型数字钳形电流表测变频器进线电流，只有2A（电机额定电流为8·4A），节能效果显著，完全达到了预期的目的。1控制原理系统连接如图1所示（所有图中线号都是元件端子实际编号）压力变送器将管网压力信号转换为4~20mA直流电流信号，送入PID控制器,和给定信号比较,经过P(比例)、I（积分）、D（微分）运算，同样输出4~20mA电流信号，送到变频器频率设定端子，控制变频器输出频率，即改变了水泵转速，调节了补水量，使管网压力保持恒定。图1系统连接图同时，PID控制器还输出一个高压力开关信号和低压力开关信号，送入PLC，作为另一台工频泵自动投入或退出的条件之一。PLC除了接受PID输出的高低压开关信号，还要接受变频器输出的高、低频率检测信号；变频器停止信号；及方式转换开关输入信号和启动、停止信号，按照设定的程序，控制两台泵的工作组合方式和变频器的启动、停止。所以，两台泵的工变频转换、组合工作方式及启动、停止是受PLC控制，而水泵的调速则是一个闭环的自动控制系统，不受PLC控制。2部件选用压力变送器选用济南光华仪表厂生产的仪表，型号为YTS-2M，量程为0~1MPa，对应输出4~20mA直流信号。此仪表体积小、重量轻、安装方便，而且外壳上有一液晶显示屏，可以显示压力值。不足之处是四线制，且是220V供电。PID选择了西安虹润精密仪器有限公司产品，型号为HR-WP-TS805，此仪表采用最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可随意改变仪表的输入信号类型；有全开放式用户二次可编程界面；可以使用二线制、三线制、或四线制通讯以方便和上位机连接；面板有双光柱双LED显示，可同时显示给定值、实际值和运算输出值，非常直观。PLC是单位闲置器件，原用于家属区集中供水，由于几口水源井干涸而使之闲置，其外观和性能完好。此为富士公司NB系列产品，有8k的程序内存和可扩充至368点的I/O点数，是富士公司早期产品中的较高档机型，用于补水控制有足够的余量，且不必再花钱购买。由于水泵功率较小，每台只有4kW，变频器选用了LG公司产品，其型号为STARVERT-is3，此型号变频器重量轻、功能多，而且最大的优点是价格低廉，是当时国外品牌中价格较低的。这样就可以使改造成本大幅降低。3安装调试因为使用了PLC，可以实现原继电器接触器控制中难以达到的要求。现用一个5选1开关，4个按钮，实现两台补水泵的5种控制方式。这样就可以完全满足采暖初期和正常运行时调试、快速补水、维护和检修的各种需要。控制柜面板布置如图2所示。由于所有的控制功能可以在PLC内部实现，不需要多余的按钮和指示灯，高低压力报警用PID面板上的指示灯显示，这样控制柜面板就可以非常简洁，而且使操作简单直观。主回路接线图如图3所示。图2控制柜面板图3主回路接线图因电机功率较小，工频运行时间短，而且水泵类负荷过载的可能性较小，为简化接线，可不装热继电器，只是要合理选用断路器。而变频运行时，由于变频器保护功能完善，所有的保护都可以由变频器完成。控制回路的连接如图4所示，图中所有端子号都是器件实际标号。所有接线完成，就可以进行调试。首先要对转换控制回路检查，此项检验一定要在主回路断路器断开的情况下进行。除要注意同一台泵的工、变频接触器决不能同时吸合，还要注意转换是否在变频器停止运行的状态下进行；转换开关在2、4位置时，工频泵能否自动投入。（各开关量可以模拟输入），以及指示灯是否指示正确。此项检查图4控制回路连接完毕，就可以给所有器件加电，调整各项参数。首先调整变频器参数，将Fun(功能)组第2项频率给定方法设置为Terminal(端子)，第3项运行指令方法设置为Terminal(端子)，24项端子速度给定方式设置为Curr(电流)，75项PI控制选择设置为No（不用），将I/O(输入输出)项中多功能端子Q1设置为运行接通，Q2设置为高频率接通，动作值为50Hz，Q3设置为低频率接通，动作值设置为15Hz，因为在此频率下，水泵几乎不再补水，只是保持住网管水不倒流。然后调整加减速时间，一般认为把加减速时间调长一些，起一个缓冲作用，可以使系统压力稳定，而实际上恰恰相反，因为加减速时间长，就相当于使反馈信号延迟，而使控制反应缓慢，会造成压力波动。因此加减速时间应该越短越好，这样可以使系统反应灵敏。但是加减速时间过短，有可能造成变频器加速时过流保护，减速时过压保护，这个问题对于小功率电机并不明显，但对于大功率电机和惯性较大的负荷，这个问题就十分突出，所以要根据具体情况进行调整，此系统由于电机功率较小，将加减速时间都设为5s，其他各项按变频器默认值。最后要在管网有压力的情况下调整PID参数，这是整个调试工作中的关键。因为D（微分）控制对输入信号的变化速度极其敏感，致使其抗干扰能力较差，调节不好反而容易造成振荡，而补水只要求压力稳定，对快速性要求不高，所以把D值设为0，只采用PI调节器即可。由于管网容量大，管路长，跑冒滴漏现象时有发生，会造成压力不断变化，而且每改变一次参数，都要等一段时间才能看到结果，所以要有足够的耐心。经过反复试验，最后将P值设为40，I值设为2。同时，为了使PID面板上压力显示数值和压力表读数对应，还要根据说明书提供的公式，调整PB值和KK值，这实际上就相当于用机械式电位器调整仪表的零点和量程，本来压力变送器输出的是4~20mA直流信号，和PID匹配，是不用调整的，但压力变送器输出和实际压力值有误差，因此微调KK值，根据PID说明书公式计算和观察压力表读数，将KK值设为20，PID面板显示和压力表对应。而压力高低(工频泵自动投入、退出时的切换信号)输出不用调整，根据需要直接设定即可。4编程事项首先要注意变频接触器的吸合和释放，一定要在工频接触器完全断开以及变频器完全停止的状态下进行，工频、变频接触器同时吸合的危害大家都很清楚，变频器在运行状态下忽然接通或断开负荷对变频器同样是灾难性的影响，特别是对于大功率的变频器。为了避免出现这样的问题，除了软件和硬件的联锁外，还要增加短延时电路，同时，要做到转换必须在变频器完全停止的状态下才有效，而运行时转换无效，以免误操作造成不必要的损失。其次是在一台泵变频一台泵工频自动投入（转换开关2，4位置）的工作方式下，工频泵如何投入，在此要满足两个条件，一个是系统压力低信号，由PID输出；第二个是高频率检测信号，由变频器输出；在两个条件同时满足时，再经过一定延时，启动工频泵。工频泵自动退出时，同样需要压力高信号、低频率检测信号及延时。这样做的目的，一是保证正确切换，二是防止压力波动时，工频泵频繁动作。第三个要注意的是运行指示灯要正确指示，即变频运行时，运行指示灯要在变频器运行时点亮，而不能在只是变频接触器（B1、B2）吸合、而变频器实际并没开始运行的情况下点亮，这点在PLC中很容易实现。5结语由于变频器和可编程控制器的普及和价格的逐渐降低，用其改造原有电控系统变得切实可行，不但能使控制多样，工作稳定，而且外围线路简单，特别对于一些不太复杂的控制系统，用基本指令和一些简单的功能指令就可以实现，不需要专业的工程技术人员编程，很适合我们一般电气管理维修人员应用。像此例，编程就不复杂，而且这种模式，不只在采暖补水中应用，在其他的供水工程中也可以借鉴。