Автоматизація насосних станцій на основі частотних електроприводів VFD-F компанії Delta Electronics

Помните бессмертное творение Ильфа и Петрова? “Бочки были соединены тонкой клистирной трубкой, по которой, деловито журча, бежала жидкость. ... Не по-детски вздыхая, мальчик вычерпывал ведром жидкость из нижней бочки, тащил её на антресоли и вливал в верхнюю бочку. Закончив этот сложный производственный процесс, мальчик уходил в контору греться, а из клистирной трубки снова неслось всхлипыванье: жидкость совершала свой обычный путь из верхнего резервуара в нижний».

Знаете ли Вы, что в отличие от господина Корейко, которому вышеописанные технологии приносили ощутимый доход, каждый из нас вынужден из своего кармана регулярно оплачивать подобный круговорот? Мало кто знает, что до 70% квартплаты расходуется на перекачку жидкостей, теплоносителя и других субстанций, не менее важных для жизнедеятельности человека.

А знаете ли Вы, как устроена типичная насосная, проектировавшаяся в 80-е годы прошлого века? Да очень просто и без затей. Центробежный насос, приводимый в движение асинхронным двигателем, включенным через магнитный пускатель. Причем мощность двигателя берется с большим запасом, на все возможные случаи жизни, с перестраховкой – как от падения входного давления, так и от необходимости увеличения подачи. Регулирование напора – очень часто осуществляется перепуском части потока жидкости с выхода насоса на его вход, что очень похоже на задачу, стоявшую перед тем самым мальчиком с ведром. И совершает вода свой обычный путь… Путь по замкнутому кругу.

Разорвать этот порочный круг можно только одним способом – заменой устаревшего оборудования времен дешевого электричества, на более эффективное, энергосберегающее. Других вариантов пока ещё никто предложить не смог.

В этой статье мы коснемся лишь одного аспекта модернизации ЖКХ – мероприятий по установке на действующих насосных станциях современных систем управления с применением частотно-регулируемых электроприводов.

Насосная станция (НС) – установка, состоящая из двух или более насосов, запорной и регулирующей арматуры, а также системы управления её производительностью.

Современные НС станции должны снабжаться следующими видами защиты и автоматики:

• поддержание заданного давления или расхода в системе водоснабжения;
• контроль питающего напряжения и восстановление работы после сбоев питания;
• защита от перегрузки;
• защита от работы в режиме сухого хода;
• переключение с одного из насосов на другой при его отказе;
• переключение с насоса на насос для обеспечения их одинаковой наработки;
• автоматическое распределение нагрузки между насосами для обеспечения максимальной эффективности;
• диагностирование и индикация неисправностей насосной станции.

В электрических насосных станциях применяется два основных типа регулирования производительности - каскадное и частотное регулирование.

Каскадное регулирование производительностью обеспечивается включением и выключением параллельно установленных насосов (обычно от 2 до 4). При использовании данного типа регулирования НС тем маневреннее и экономичнее, чем большее количество насосов она содержит.

При частотном регулировании, изменение производительности НС достигается за счет изменения частоты вращений насосов с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Применение частотного регулирования позволяет значительно увеличить эффективность работы за счет оптимизации работы насосов в режиме неполной производительности. Частотное регулирование обеспечивает плавность изменения производительности и предотвращает возникновение гидроударов, что повышает ресурс и надежность работы как самой НС, так и трубопроводов и арматуры. Кроме того, возможно одновременное использование двух этих принципов – то есть, каскадно-частотное регулирование. Применение каскадно-частотного регулирования в автоматизированных НС позволяет обеспечить снижение потребления электроэнергии до 50% по сравнению с использовавшимися ранее традиционными принципами регулирования.

Очень подробно вопросы обоснования вариантов применения того или иного способа регулирования приведены в [1, 2, 3].

Для реализации всех описанных выше функций, в составе современной автоматизированной НС, помимо преобразователя частоты, должно присутствовать некое интеллектуальное устройство (например, ПЛК), которое будет осуществлять опрос датчиков состояния оборудования и технологических параметров (давления), и выдавать сигналы управления на частотный электропривод. Существует несколько типовых решений в области построения таких автоматизированных НС.

Сейчас широко распространен упрощенный способ каскадно-частотного регулирования, при котором ПЧ управляет только одним насосом, а остальным по мере необходимости подает команды на пуск и останов. При пуске дополнительных насосов, их электродвигатели подключаются напрямую к сети.

Достоинствами такого способа являются – простота и надежность, а также минимальное количество оборудования для создания автоматизированной НС.

Вместе с тем данному способу присущи весьма серьёзные недостатки, такие как:

• появление гидроударов при пуске/останове дополнительных насосов;
• появление в электросети бросков напряжения, связанных с переходными процессами при пуске двигателей;
• невозможность поддержания точного давления в системе, флуктуации давления при включении или выключении дополнительных насосов.

Конечно, влияние описанных недостатков можно снизить. Во избежание гидроударов и бросков напряжения, можно применять устройства плавного пуска, однако это экономически целесообразно лишь при относительно больших мощностях двигателей. Качество регулирования давления также можно улучшить за счет усложнения алгоритма управления, реализуемого вычислителем данной системы. Однако все эти мероприятия связаны с дополнительными финансовыми затратами, что нивелирует привлекательность самой идеи.

Данных недостатков лишен такой способ управления, когда при невозможности обеспечить требуемую в данный момент производительность НС одним насосом, в работу включается следующий, при этом первый насосный двигатель переключается напрямую на сеть, а вступающий в работу – выводится на рабочую частоту под управлением ПЧ, по заданной пользователем кривой разгона.

Сказанное иллюстрируется рисунком, на котором показаны – преобразователь частоты, устанавливаемая в него (при необходимости) дополнительная плата релейных выходов, и два двигателя, каждый из которых может в любой момент времени быть переключен на работу как от питающей сети, так и от частотного преобразователя. Данная схема является упрощенной, и приведена здесь лишь для пояснения сути идеи.

Кроме того, использование в данной схеме специализировнаного ПЧ, способного заменить описанный выше «вычислитель» или ПЛК, реализующий дополнительные сервисные функции – защиты, регулирование подачи по графику или по заданному расходу, позволяет существенно снизить затраты на модернизацию существующих НС, а также упрощает и удешевляет сервисное обслуживание уже работающей НС.

Также возможен способ управления, при котором все насосы снабжены своим собственным преобразователем частоты – это обеспечивает абсолютное отсутствие указанных выше недостатков, но требует существенных материальных затрат. Кроме того, такой вариант построения автоматизированной НС применительно к ЖКХ кажется избыточным.

В настоящее время множество производителей предлагают свои варианты специализированного ПЧ для работы с насосами и вентиляторами. С точки зрения авторов статьи, неплохим вариантом для задачи построения автоматизированной НС, является серия частотных преобразователей VFD-F фирмы Delta Electronics (vfd.com.ua). Это серия специализированных преобразователей, ориентированных на работу с несколькими насосами или вентиляторами. Преобразователи VFD-F имеют встроенный контроллер, снабженный всеми необходимыми функциями, позволяющими решить задачу без лишних затрат. Встроенного в VFD-F интеллекта достаточно для работы по каскадно-частотному принципу регулирования производительности НС с количеством насосов от 1 до 4. В настоящее время выпускаются приводы VFD-F мощностью от 0,75кВт до 220кВт. Их основные свойства и характеристики приведены в таблице.

Для пояснения того, как именно ПЧ VFD-F может решать задачу каскадно-частотного регулирования, приведем примерную принципиальную схему его работы с двумя двигателями. Количество двигателей может достигать 4. Для создания автоматизированной НС, работающей в каскадно-частотном режиме, помимо преобразователя VFD-F, потребуется плата релейных выходов модели RY00, и несколько контакторов, которые будут управляться релейными сигналами. Для поддержания расхода или давления, потребуется датчик соответствующего параметра, со стандартным выходом (например, 4-20мА), который легко может быть подключен к соответствующему входу ПЧ. Вот, пожалуй, и весь набор оборудования. Съемный пульт управления ПЧ может быть использован как простой в работе операторский интерфейс, который помимо ввода задания, обеспечивает оператора информацией о текущих параметрах, сбоях в работе и пр.

При данной схеме включения и выбранном режиме каскадного управления, алгоритм работы ПЧ следующий:

1. ПЧ, под управлением ПИД-регулятора запускает в работу первый двигатель, и пытается свести к нулю ошибку между заданной и реальной производительностью НС;
2. Если мощности первого двигателя оказывается недостаточно, то ПЧ прекращает работу с ним, делает предустановленную задержку времени, и подает релейный сигнал на контактор, который подключает первый двигатель к сети питания промышленной частоты 50Гц;
3. После осуществления новой выдержки времени (также заранее предустановленной), ПЧ запускает в работу второй двигатель и управляет им до тех пор, пока заданное значение производительности не выйдет за границы возможностей теперь уже двух двигателей.
4. Подключение новых двигателей будет происходить до тех пор, пока ошибка поддержания заданного технологического параметра не будет минимизирована, либо пока не закончатся доступные двигатели.
5. Отключение двигателей при снижении задания будет производиться в обратной последовательности.

Если же функций, реализуемых ПЧ VFD-F, окажется недостаточно для полного удовлетворения всех потребностей конкретной НС, то такая проблема легко решается установкой дополнительного недорогого вычислительного устройства – такого, как, например, «логическое реле» LOGO!, S7-200 (Siemens), ADAM-5510 (Advantech) или их аналогов.

Конечно, предложенной схеме построения НС присущи и некоторые недостатки. Автором публикации [4] проанализированы недостатки специализированных ПЧ, предлагаемых различными производителями преобразовательной техники. Автор этой публикации [4] суммирует недостатки, свойственные ПЧ с многомоторным управлением (такой термин используется в [4]), в сравнении с уже собранными, готовыми специализированными станциями управления насосными агрегатами. С нашей точки зрения, такое сравнение не до конца корректно, поскольку специализированные ПЧ с многомоторным управлением – это всего лишь удобный инструмент для создания системы управления автоматизированной НС, а не система управления вцелом.

Вкратце, основные недостатки следующие:

1. При управлении от преобразователя частоты гарантируется защита только основного двигателя. Защита дополнительных двигателей от выхода питающего напряжения за безопасные рамки не производится. Нам неизвестно, с какими именно моделями ПЧ производилось сравнение автором [4], но в случае с тем алгоритмом управления, который описывается здесь нами, и заложен в ПЧ VFD-F Delta Electronics, защита будет обеспечена тому двигателю, который в данный момент управляется от ПЧ. Защита же остальных двигателей, работающих от сети, возлагается на их пускорегулирующую аппаратуру (контакторы, пускатели). Сбой в работе какого-либо двигателя становится известным ПЧ с помошью соответствующих диагностических дискретных входов. Аварийный двигатель просто исключается из дальнейшей работы «вычислителем» специализированного ПЧ VFD-F.
2. Выход из строя ПЧ означает невозможность продолжения работы. Работа же специализированной станции управления будет продолжена, правда, в ручном режиме. Этот недостаток очень легко нивелировать, если в релейной части принципиальной схемы НС предусмотреть соответствующий ручной режим работы.
3. Специализированная станция реализует более широкий спектр защитных и сервисных функций, недоступных отдельному ПЧ. Например, автоматический ввод резерва при пропадании основного питания, система телеметрии и пр. Действительно, если в специализированной станции установлен некий контроллер (ПЛК), то он сможет реализовать гораздо более широкий спектр сервисных функций и защит. Но в нашей сегодняшней статье мы рассматриваем самые простые и недорогие варианты, именно поэтому мы завели речь о ПЧ с функциями управления насосами. Реализация же дополнительных функций должна возлагаться на дополнительное оборудование, и это никак не противоречит основной мысли данной статьи. Более того, компания Delta Electronics предлагает довольно обширную линейку ПЛК, полностью программно и интерфейсно совместимую с ПЧ. Благодаря тому, что массовое производство Delta Electronics имеет самую низкую в отрасли себестоимость, стоимость этих ПЛК может конкурировать даже с отечественными. И за пару сотен долларов, потраченных на «железо», комфортно программируя на удобном и стандартном языке релейно-контакторной логики согласно МЭК 611131, можно реализовать все необходимые дополнительные функции специализированной рабочей станции. В любом случае, ПЧ с функциями управления насосами – это выгоднее, чем ПЧ без этих функций.
4. Специализированные станции выпускаются в заводских условиях и проходят полный цикл проверки и отладки. Так ведь то же самое можно сказать и про ПЧ. Кроме того, при объеме производстве в один миллион ПЧ в год, как у Delta Electronics, обеспечивается более тщательный контроль и глубокое выявление скрытых недостатков, нежели при мелкосерийном производстве. А при построении системы управления НС стоит ориентироваться только на надежное, серийно выпускаемое борудование, и не столь важно, будут ли это отдельные блоки системы (такие как специализированные ПЧ), или уже готовая система автоматического управления НС в сборе.

Суммируя сказанное выше, можно сделать вывод, что использование преобразователей Delta Electronics для управления НС позволяет получить следующие преимущества:

• Высокое качество регулирования и очень хороший переходный процесс при минимуме оборудования.
• Экономия до 50-70% электроэнергии благодаря оптимальному использованию мощности асинхронного двигателя, который потребляет ее теперь ровно столько, сколько нужно, а не занимается бессмысленной прокачкой воды по кругу.
• Экономия на пускорегулирующей аппаратуре и экономия при проектировании, монтаже, наладке и самом оборудовании внешней релейно-контакторной схемы управления, так как вся логика уже есть внутри ПЧ, и тщательно отлажена производителем. Да и вообще, простота использования оборудования является одним из конкурентных преимуществ Delta Electronics. Работа с ним интуитивно понятна и доставляет удовольствие.
• Экономия инвестиций на модернизацию, комплексирование и наращивание функций системы. Как уже говорилось, ПЧ Delta Electronics , как кубики из конструктора Lego, прекрасно совмещаются с ПЛК – как Delta, так и других производителей – благодаря поддержке стандартизованных протоколов – ModBus, Profibus, LonWorks и др. Так что, если встанет вопрос об интеграции НС, например, в систему интеллектуального здания, к вашим услугам будут все стандартные протоколы обмена данными с ПЧ.
• Экономия собственно на самом преобразователе частоты. Не секрет, что существуют и другие поставщики ПЧ на рынке, которые предлагают те или иные функции каскадного управления. Но только Delta Electronics, производитель №1 в мире источников питания и другого энергетического оборудования, может предложить требуемый разработчику автоматизированной НС набор функций и высочайшее качество за весьма привлекательную цену.
• Высокая надежность ПЧ, которая гарантируется малым количеством компонентов в системе и их высокой надежностью. Не зря компания Delta Electronics неоднократно получала призы за нулевое количество дефектов от всемирно известных брендов, таких как Siemens, Nokia, GE, IBM, Dell, HP, Intel, Microsoft, NEC, Sony. (Подробнее об этом на сайте vfd.com.ua)

ПЧ Delta Electronics очень быстро завоевывают популярность. Ряды приверженцев этой торговой марки растут в геометрической прогрессии и удваиваются каждый год. Delta Electronics давно завоевала рынки Юго-Восточной Азии. ПЧ Delta Electronics распробовали в Голландии, Испании, России, Германии и Франции. Настал черед Украины ?

Литература

1. Андрей КРАСИЛЬНИКОВ – «Применение автоматизированных насосных установок с каскадным управлением в системах водоснабжения» - журнал «Строительный инжениринг», 2005г. №12.
2. Андрей КРАСИЛЬНИКОВ – «Применение автоматизированных насосных установок с каскадным управлением в системах водоснабжения (продолжение)» - журнал «Строительный инжениринг», 2006г. №1.
3. Андрей КРАСИЛЬНИКОВ – «Автоматизированные насосные установки с каскадно-частотным управлением в системах водоснабжения» - журнал «Строительный инжениринг», 2006г. №2.
4. Дмитрий ПЕТРОВ – «Регулируемый привод в насосных установках» - журнал «Силовая электроника», 2005г. №4.