Пример модернизации электрической схемы насосной станции с двумя насосами на схему с управлением от ПЛК

Обновлено: 14.05.2024

В отзывах на предыдущую статью по этой теме - Пример модернизации электрической схемы грузового подъемника с использованием программируемого контроллера (ПЛК) было пожелание сделать материал с более подробным пошаговым разбором процесса написания программы на языке CFC в CoDeSys . Так как схему из предыдущей статьи заново разбирать не очень интересно, то давайте возьмем на этот раз для примера что-нибудь другое, например, когда-то очень популярную схему насосной станции с откачивающими насосами.

Устройство и принцип работы насосной станции

Итак, имеется насосная станция дренажного типа с двумя насосами. Вода набегает в резервуар самотеком, а задача насосов откачивать ее из этого резервуара, что бы не допустить его перенаполнения. Один из насосов по схеме является основным, второй - резервным. Схемой предусмотрена возможность назначения основного и резервного насоса с помощью переключателя.

Первоначально в работу включается насос, который назначен основным, а в случае если он не справляется с откачиванием жидкости, то ему на помощь автоматически включается резервный насос. Если же оба насоса не могут откачать жидкость, то срабатывает световая и звуковая сигнализация.

Принцип действия схемы управления

Уровень жидкости контролируется датчиками уровня с 4 контактами. При подъеме жидкости в емкости контакты по очереди замыкаются, подают питание на катушку промежуточных электромагнитных реле, контакты которых включены в цепи катушек электромагнитных пускателей, управляющих электродвигателями насосов.

Схема электрическая принципиальная насосной станции с двумя откачивающими насосами:

Существует еще один вариант этой схемы с обозначениями выполненными по современным ГОСТам (1 и 5 - задвижки, 2 - клапан, 3 - нагнетающие трубопроводы, 4 - насосы, 6 - резервуар, 7 - всасывающие трубопроводы, 8 - электрод):

Пример прохождения тока по цепям по первой схеме (при первом основном насосе, а втором резервном, переключатель ПО стоит в положении 1):

1) При достижении водой уровня Э1 - ничего не происходит,

2) При достижении водой уровня Э2 - срабатывает катушка реле РУ1, замыкает свои контакты, в т.ч. включается контакт в цепи пускателя ПМ1, включается в работу двигатель Д1.

3) При достижении водой уровня Э3 - срабатывает катушка реле РУ2, при этом реле РУ1 тоже включено и двигатель Д1 работает. Реле РУ2 замыкает свои контакты, в т.ч. включается контакт в цепи пускателя ПМ2, включается в работу двигатель Д2.

4) При достижении водой уровня Э4 - срабатывает реле РА. Контакты этого реле включены в отдельную схему на независимый источник питания, например, аккумуляторную батарею (на первой схеме не показана). Там же подключен контакт реле напряжения РКН. При отсутствии напряжения или аварийном уровне жидкости срабатывает сигнальная лампа и звонок (они на первой схеме тоже не показаны).

Схема насосной станции может работать в автоматическом и ручном режимах. Выбор режима работы для каждого насоса осуществляется индивидуально с помощью переключателей ПУ1 и ПУ2. А ручном режиме включение и выключение электромагнитных пускателей и двигателей насосов выполняется с помощью кнопок КнП и КнС.

Модернизация схемы

Проведем модернизацию релейной схемы управления насосной станции. Управлением процессом откачивания жидкости после модернизации будет выполнять программируемый логический контроллер (ПЛК). В качестве ПЛК в данном случае можно использовать контроллер любого типа. В нашем случае отлично подойдет даже какое-либо недорогое программируемое реле.

Так как задача этой статьи чисто образовательная - дать первоначальные навыки составления программ для ПЛК, то использовать будем для этого очень удобный программный пакет CodeSyS 2.3 и контроллер фирмы ОВЕН. Модель контроллера требует CodeSyS при создании проекта в программе. Программу будем составлять на языке CFC.

Этот проект был связан исключительно с учебными целями. Наша задача заменить схему управления с релейной на программную, ничего не меняя в устройстве, технологии и органах управления насосной станции.

Для начала определим все необходимые входные и выходные сигналы, которые нам понадобятся в программе.

На рисунке приведена схема автоматического управления двумя насосными агрегатами, эксплуатируемыми без дежурного персонала.

Работа схемы основана на принципе пуска и остановки насосов в зависимости от уровня жидкости в контролируемом резервуаре, из которого производится откачка. Для контроля заполнения бака жидкостью применяется электродный датчик уровня ДУ. Из двух насосных агрегатов один является рабочим, а второй - резервным.

Режим работы агрегатов задается переключателем управления (переключателем откачки ПО): в положении 1 переключателя насос H1 с двигателем Д1 будет рабочим, а насос Н2 с двигателем Д2 — резервным, который включается, если производительность насоса H1 окажется недостаточной. В положении 1 рабочим является насос Н2, а резервным — H2.

Рассмотрим работу схемы, когда переключатель ПО установлен в положение 1, а переключатели ПУ1 и ПУ2 — в положение А, т.е. на автоматическое .управление насосами. Контакты 1 и 3 переключателя ПО замыкают цепи катушек реле РУ1 и РУ2, но реле не включатся, так как при нормальном уровне жидкости остаются разомкнутыми электроды Э2 и ЭЗ датчика уровня ДУ.

Схема автоматического управления двумя откачивающими насосами

При повышении уровня жидкости в емкости до электрода Э2 замыкается цепь катушки промежуточного реле РУ1, оно срабатывает, и через замыкающий контакт РУ1 подается питание В катушку пускателя ПМ1. Включается двигатель Д1, и насос H1 начинает откачку.

Уровень жидкости в емкости понижается, но при разрыве контакта Э2 двигатель Д1 не остановится, так как катушка реле РУ1 продолжает получать питание через свой контакт РУ1 и замкнутый контакт электрода Э1. Такая блокировка реле РУ1 применена во избежание частых пусков и остановок насосного агрегата при небольших изменениях уровня жидкости и обеспечивает отключение насоса лишь тогда, когда уровень жидкости спадет ниже нормального и разомкнется контакт Э1.

Если произойдет аварийное отключение рабочего насоса или производительность его окажется недостаточной, то уровень жидкости в резервуаре будет продолжать повышаться. Когда он достигнет электрода ЭЗ датчика ДУ, получит питание катушка реле РУ2. Реле сработает и включит магнитный пускатель ПМ2, включится двигатель Д2 резервного насоса. Отключение резервного агрегата произойдет при спадании уровня жидкости ниже электрода Э1.

Если по каким-либо причинам будет иметь место большой приток жидкости в резервуар, то производительность обоих насосных агрегатов может оказаться недостаточной, и жидкость поднимется до предельно допустимого уровня, на котором, установлен электрод Э4. При этом замкнется цепь катушки реле РА, которое сработает и своим замыкающим контактом включит цепь аварийной сигнализации, оповещая персонал о ненормальной работе насосных агрегатов.

Для подачи предупредительного сигнала при исчезновении напряжения в цепях управления служит реле контроля напряжения РКН. Цепи аварийной сигнализации питаются от самостоятельного источника питания. Белая сигнальная лампа ЛБ служит для оповещения о наличии напряжения в цепях управления при контрольных осмотрах аппаратуры.

Переход на ручное (местное) управление насосными агрегатами производится поворотом переключателей ПУ1 и ПУ2 в положение Р. Включение и отключение двигателей Д1 или Д2 производится нажатием кнопок КнП1 и КнС1 или КнП2 и КнС2, расположенных непосредственно у насосных агрегатов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Автоматизация систем водоснабжения снижает расходы на эксплуатацию насосного оборудования и водопроводной сети, оптимизирует водопотребление, позволяет уменьшить объем накопительных баков. Регулирование водоподачи осуществляется по давлению и уровню. В отопительных системах также используется схема с обратной связью по температуре теплоносителя или воздуха в помещении.

Релейные схемы автоматизации

До появления частотных преобразователей в качестве устройства управления использовались релейные блоки.

Простейшая схема регулирования по уровню построена на базе магнитного пускателя и поплавкового реле. При увеличении уровня, контакты реле замыкаются, катушка магнитного пускателя оказывается под напряжением. Электродвигатель насосного агрегата запускается. При снижении уровня жидкости, реле размыкает управляющую цепь магнитного пускателя.

Такая схема обеспечивает ручное и автоматическое включение насосов, каскадный способ управления, индикацию режимов работы, остановку насосных агрегатов при пропадании перекачиваемой жидкости.

В нормальном режиме работает основной насосный агрегат. При снижении давления при пиках водопотребления или остановке основного насоса, срабатывает реле давления, включающее резервный насос с выдержкой времени. При необходимости включение и выключение насосов можно осуществлять в ручном режиме. Релейные схемы управления относительно просты и дешевы, однако, обладают следующими недостатками:

Дополнительная нагрузка на электрическую сеть. Запуск электродвигателей осуществляется на полном напряжении сети. Ток при этом взрастает в несколько раз.
Невозможность плавного изменения производительности. Регулирование давления в сети осуществляется включением резервного насоса. Ступенчатое изменение давления не всегда удовлетворяет условиям техпроцесса.
Необходимость регулярного ремонта, технического обслуживания. Схемы такого типа содержат большое количество электроаппаратов и элементов автоматики. При частых коммутациях, контакты и механические части аппаратов быстро приходят в негодность.
Высокая нагрузка на трубопровод. При прямом пуске насосов резко увеличивается вероятность гидравлических ударов. При их возникновении повреждается запорно-регулирующая арматура, трубы и другие элементы системы водоснабжения.

Для ограничения пусковых токов и плавного разгона электродвигателей в релейных схемах часто устанавливают устройства плавного пуска. Однако, эти устройства не обеспечивают плавное изменение подачи. Для этого на трубопровод устанавливают регулирующую арматуру, что приводит к потерям давления и снижает общий к.п.д. системы водоснабжения.

Функции систем управления насосным оборудованием на базе частотных преобразователей

Для автоматизации работы насосных станций все чаще и чаще используют схемы на базе частотных преобразователей. Частотное управление лишено недостатков релейных схем. Автоматизированные схемы с преобразователем частоты обеспечивают:

Частотные преобразователи используются как для автоматизации простых автономных систем водоснабжения, так и мощных станций с большим количеством насосов.

Пример работы схем на базе частотного преобразователя

Принципиальная схема управления циркуляционными насосными агрегатами на базе преобразователей частоты с обратной связью по давлению и температуре позволяет экономить до 30% тепловой энергии.

При увеличении температуры теплоносителя или падении давления в сети, сигнал с аналогового датчика температуры поступает на частотный преобразователь, который плавно увеличивает частоту напряжения в цепи питания электродвигателя. Скорость вращения ротора увеличивается, производительность насоса возрастает. При необходимости в работу включается резервный насос. По достижении заданной температуры, подача насоса возвращается к запрограммированной величине. Схема также обеспечивает попеременную работу насосных агрегатов, остановку двигателей при авариях, включение резервного насоса при аварийной остановке основного, запрет на запуск неисправного насоса до устранения поломки, а также индикацию режимов работы.

Для увеличения экономического эффекта в отопительных системах используют преобразователи частоты с функцией АОЕ или автоматической оптимизации энергопотребления. При этом электродвигатель поддерживает энергопотребление соответственно требуемой производительности насосного агрегата. Частотные преобразователи с такой функцией выпускает компания Danfoss, всемирно известный производитель электрооборудования и элементов автоматики.

Принцип работы простейшей схемы регулирования с обратной связью по давлению

Частотные преобразователи применяются также для небольших систем водоснабжения, отопления и ГВС. Плавное регулирование напора и производительности насоса обеспечивает постоянное давление в сети, отсутствие перепадов температуры горячей воды при открытии и закрытии дополнительных кранов, поддержание микроклимата в помещении.

При пуске насоса через частотный преобразователь, на электродвигатель подается напряжение небольшой частоты, которая увеличивается согласно запрограммированным значениям. Это обеспечивает плавное нарастание давления в системе и снижает вероятность гидравлических ударов.

При увеличении водопотребления, давление в системе падает. Сигнал с датчика давления подается на частотный преобразователь, который увеличивает частоту питающего напряжения электрического двигателя. Производительность насоса плавно увеличивается, пока давление в системе не достигнет заданного значения. При снижении потребления воды, частота напряжения в питающей цепи снижается, обороты насосного агрегата падают.

При помощи частотных преобразователей также можно реализовать систему каскадного автоматического управления двумя и более насосами. Такие схемы используются в сетях с высокими пиковыми нагрузками, где максимальная производительность одного насоса не обеспечивает компенсацию потерь давления. В этих случаях частотный преобразователь обеспечивает плавный ввод дополнительных агрегатов и равномерное распределение нагрузки между работающими насосами.

Преимущества применения частотных преобразователей в схемах автоматизации насосов

Системы водоснабжения не требуют компенсационных емкостей для гашения гидравлических ударов. Запуск и отключение насосных агрегатов осуществляется плавно, что исключает резкие скачки давления. В системах отопления и автономного водоснабжения все же рекомендуется установить расширительные баки мембранного типа. Это оборудование позволит избежать последствий гидроударов и увеличения давления при авариях и температурном расширении теплоносителя.
Комфортная температура горячей воды и теплоносителя в отопительной системе. В отличие от релейных схем управления, частотное регулирования позволяет избежать скачков температуры воды независимо от ее расхода.
Защита арматуры, трубопровода, котла от гидроударов. При прямом пуске электродвигателя, резко меняется скорость потока в трубопроводе. Возникает гидравлический удар, который может повредить гидроавтоматику, котел и другие элементы системы. Ликвидация последствий гидроудара может обойтись в сотни тысяч рублей.
Защита электродвигателя насоса от аварий и аномальных режимов работы. При несимметричной нагрузке, изменении напряжения в сети, коротких замыканиях, перегреве обмоток, частотный преобразователь осуществляет аварийную остановку электродвигателя.
Возможность удаленного управления. Danfoss выпускает преобразователи частоты, поддерживающие все распространенные протоколы обмена данными. Управление можно осуществлять с удаленного ПК, при помощи приложений, установленных на смартфоны или планшеты. Преобразователи для промышленных систем водоподачи можно встраивать в многоуровневые системы АСТП.
Возможность регулирование напора и производительности насосных агрегатов по одному или нескольким характеристикам. Частотные преобразователи можно запрограммировать на регулировку по расходу, давлению, температуре, уровню, напору, а также по двум и более параметрам.

Выбор частотного регулятора для насосов

Выбор частотных преобразователей для насосного оборудования делается по следующим критериям:

Типу приводного электродвигателя. Число фаз и тип электродвигателя должны соответствовать параметрам частотного. Для привода насосных агрегатов применяются синхронные и асинхронные одно- или трехфазные электрические машины.
Интервалу регулируемых частот. Каждому значению частоты питающего напряжения соответствует определенная скорость вращения электродвигателя и производительность насоса. Эта характеристика частотного преобразователя должна отвечать параметрам сети водоподачи.
Току, напряжению и мощности. Номинальные электрические характеристики электродвигателя и преобразователя частоты должны совпадать. Рекомендуемый запас мощности частника - 15-20%.
По числу аналоговых и релейных входов. В зависимости от числа датчиков, необходимо подобрать частотный преобразователь с соответствующим количеством входов.
По функциям. Частотный преобразователь может совмещать функции устройства плавного пуска, ПИД-регулятора, устройств защиты. Функционал устройства выбирают в соответствии с требованиями к системе отопления и водоснабжения.

Использование частотных преобразователей снижает потери давления, оптимизирует потребление воды и электроэнергии, а также снижает вероятность аварий. Их применение дает значительный экономический и технический эффект, особенно заметный на примере крупных систем подачи тепла и водоснабжения.

Читайте также: