Введение

Насосы являются одной из наиболее распространенных технологических машин в различных отраслях промышленности. При их эксплуатации нередко возникают задачи, связанные с необходимостью реализации чередования по времени, например когда на один трубопровод установлено два насоса (основной и резервный), но в работе всегда находится только один. В этом случае, чередование позволяет обеспечить равномерную выработку ресурса каждого и исключить возникновение ситуации когда при выходе основного насоса из строя не запускается резервный по причине долгого простоя. И как правило, данные задачи решаются с помощью сложных систем управления построенных на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) с использованием преобразователей частоты (ПЧ) (см. рисунок 1а). Недостатками данного решения являются: трудность реализации из-за необходимости наличия навыков программирования, большие затраты времени и высокая стоимость конечного результата.

Другой вариант — это применение специализированных преобразователей частоты ELHART серии EMD-PUMP (см. рисунок 1б) у которых уже встроен необходимый для реализации чередования насосов по времени функционал. Применение данных ПЧ позволяет с минимальными усилиями и в кратчайшие сроки собрать схему управления, настроить и запустить оборудование в эксплуатацию без использования внешних устройств.

Рисунок 1 — Способы реализации периодического чередования по времени

Периодическое чередование по времени с использованием ПЧ EMD-PUMP может иметь как самую простую реализацию без контроля аварийных состояний и без автоматического ввода резерва (АВР), так и расширенный вариант с контролем аварийных состояний и АВР. В данной статье будет рассмотрен расширенный вариант реализации чередования по времени — «с контролем аварийных состояний и с АВР» для двух насосов.

Данный вариант реализации чередования выполняет следующие функции:

1. Регулирование частоты вращения подключенного насоса для поддержания требуемой уставки встроенного ПИД-регулятора.

2. Чередование насосов в соответствии с заданным пользователем интервалом времени.

3. Электрическая защита двигателя (перегрузка по току, перегрузка по моменту, пониженное/повышенное напряжение).

4. Защита от обрыва сигнала обратной связи.

5. Механическая блокировка от одновременного включения двигателей насосов.

6. Защита от «сухого хода».

7. Контроль работоспособности насоса по перепаду давления или давлению в выходном трубопроводе.

8. Автоматический ввод резерва при аварии преобразователя частоты либо одного из насосов.

9. Электрическая блокировка от одновременного включения двигателей насосов.

С более простым вариантом схемы управления «без контроля аварийных состояний и без АВР», в которой не предусмотрены функции, описанные в пунктах 6, 7, 8, 9 — можно ознакомится в статье «Реализация чередования насосов по времени на базе преобразователей частоты ELHART серии EMD-PUMP».

Техника безопасности

1 Основные функции и используемое оборудование

1 Регулирование частоты вращения подключенного насоса для поддержания требуемой уставки встроенного ПИД-регулятора

Регулирование осуществляется в соответствии с сигналом обратной связи, источником которого является датчик давления. Тем самым обеспечивается поддержание заданного давления в обслуживаемой системе. Кроме этого, в качестве регулируемого параметра, может использоваться не только давление, но и, например, расход или температура — для этого к EMD-PUMP требуется подключить соответствующий датчик с выходным сигналом 4...20 мА или 0...10 В.

2 Чередование насосов в соответствии с заданным пользователем интервалом времени

В процессе чередования, в любой момент времени, в работе находится только один из используемых электродвигателей. Стоит отметить, что этот способ управления позволяет осуществлять чередование большего количества двигателей — до 6 штук. В рамках данной статьи вариант с чередованием 6-ти двигателей рассматриваться не будет.

3 Электрическая защита двигателя (перегрузка по току, перегрузка по моменту, пониженное/повышенное напряжение)

Защита реализуется с помощью встроенных функций ПЧ. При возникновении аварии работа подключенного насоса будет остановлена и запрещена. После этого произойдет запуск второго насоса, который будет работать непрерывно, до снятия сигнала аварии первого. Снятие сигнала аварии насоса осуществляется нажатием на кнопку S4 или S5 (см. рисунок 2).

Если авария повторится, то будет остановлена работа всей схемы управления. Возобновление работы возможно только в ручном режиме: необходимо сначала сбросить аварию преобразователя частоты нажатием на кнопку «СБРОС» на пульте управления, а затем снять сигналы аварий насосов.

4 Защита от обрыва сигнала обратной связи

Защита реализуется с помощью встроенных функций ПЧ. Определение обрыва осуществляется по уровню сигнала на аналоговом входе (параметр F6.77 в таблице 2). Реакция на обрыв задается в параметре F6.76.

5 Механическая блокировка от одновременного включения двигателей насосов

Блокировка реализуется с помощью механического устройства блокировки К1 (см. рисунок 2).

6 Защита от «сухого хода»

Защита реализуется с помощью реле давления РД-2Р, установленного на подающем трубопроводе. При обнаружении «сухого хода» останавливается работа всей схемы управления. Возобновление работы осуществляется в автоматическом режиме после снятия аварийного сигнала «сухой ход».

7 Контроль работоспособности насоса по перепаду давления или по уровню давления в выходном трубопроводе

Защита реализуется с помощью реле дифференциального давления РДД-2Р, которое определяет выход насоса из строя по уровню перепада давления и подает соответствующий аварийный сигнал. При возникновении аварии работа подключенного насоса будет остановлена и запрещена. После этого произойдет запуск второго насоса, который будет работать непрерывно, до снятия сигнала аварии первого.

Если авария повторится, то будет остановлена работа всей схемы управления. Возобновление работы осуществляется в автоматическом режиме после снятия сигналов аварий насосов.

8 Автоматический ввод резерва при аварии преобразователя частоты либо одного из насосов

Автоматический ввод резерва реализуется с помощью элементов схемы управления и встроенных функций ПЧ. Наличие АВР позволяет обеспечить бесперебойную работу насосной установки даже при поломке одного из насосов.

9 Электрическая блокировка от одновременного включения двигателей насосов

Блокировка реализуется с помощью нормально закрытых (НЗ) дополнительных контактов контакторов КМ1 и КМ2 (см. рисунок 2).

Для реализации данного алгоритма чередования необходимо оборудование, представленное в таблице 1.

* — модификация определяется при заказе.

2 Электрическая схема подключения оборудования

На рисунке 2 представлена электрическая схема подключения используемого оборудования.

Приведенная электрическая схема состоит из нескольких функциональных частей:

• Цепи питания схемы управления.
• Цепи подключения электродвигателей.
• Цепи управления.
• Цепи аварийной остановки.
• Цепи индикации.

2.1 Цепи питания схемы управления

Подключение питания необходимо осуществлять через защитные автоматы или предохранители соответствующего номинала, как показано на рисунке 3.

Автомат QF1 обеспечивает защитное отключение преобразователя частоты, питание которого осуществляется от трехфазного напряжения переменного тока 380 В.

Автомат QF2 обеспечивает защитное отключение остальной части схемы, для питания которой необходимо однофазное напряжение переменного тока 220 В.

2.2 Цепи подключения электродвигателей

Подключение электродвигателей к преобразователю частоты осуществляется через трехфазные контакторы соответствующего номинала, как показано на рисунке 4.

Контакторы КМ1 и КМ2 обеспечивают подключение электродвигателей насосов М1 и М2 к выходным клеммам преобразователя частоты (U, V, W).

2.3 Цепи управления

Цепи управления, изображенные на рисунке 5, обеспечивают запуск или остановку работы насосов в штатном (безаварийном) режиме работы.

Переключатель S2 предназначен для подачи либо снятия сигнала «Вращение в прямом направлении» на дискретном входе FWD ПЧ. Подача данного сигнала приводит к запуску одного из насосов.

Релейные выходы КА1-КВ1 и КА2-КВ2 используются для поочередной подачи питания на контакторы КМ1 и КМ2 соответственно. Тем самым реализуется чередование насосов по времени.

Контакты 21-22 контакторов КМ1 и КМ2 обеспечивают электрическую блокировку от одновременной подачи питания на оба контактора для исключения одновременного включения обоих насосов.

Контакты 13-14 контакторов КМ1 и КМ2 необходимы для запуска встроенных таймеров ПЧ, которые используются для работы цепей аварийной остановки.

Датчик давления РТЕ5000С используется в качестве источника обратной связи для встроенного ПИД-регулятора. По его сигналу осуществляется регулирование частоты вращения подключенного насоса для поддержания требуемой уставки давления.

2.4 Цепи аварийной остановки

Цепи аварийной остановки, изображенные на рисунке 6, обеспечивают своевременное обнаружение аварийной ситуации и автоматический ввод резерва.

Кнопка S1 предназначена для снятия сигнала «Вращение в прямом направлении» на дискретном входе FWD ПЧ при необходимости аварийной остановки.

Контакт 21-22 реле К6 предназначен для блокировки запуска либо остановки насоса в случае возникновения «сухого хода». Контроль наличия «сухого хода» реализован с помощью реле давления РД-2Р (контакт S6).

Контакт S3 реле дифференциального давления РДД-2Р осуществляет подачу аварийного сигнала остановки насоса при обнаружении аварии по перепаду давления.

Релейный выход YC-YB ПЧ осуществляет подачу аварийного сигнала остановки насоса при обнаружении аварии ПЧ (перегрузка по току, обрыв сигнала обратной связи, перегрев, пониженное напряжение питания и другие). Подача аварийного сигнала происходит через промежуточное реле К5.

Транзисторные выходы MO1-SC и MO2-SC используются для подачи сигнала об окончании счета встроенных в ПЧ Таймера 1 и Таймера 2 соответственно. Таймеры обеспечивают задержку обнаружения аварии по перепаду давления, так как после запуска, насосу необходимо время, чтобы создать требуемый уровень давления на выходе. Подача сигнала об окончании счета Таймера 1 осуществляется через контакты 11-14 реле К1, а Таймера 2 через контакты 11-14 реле К2.

Промежуточные реле К3 и К4 обеспечивают подачу сигнала блокировки работы Насоса 1 или Насоса 2 соответственно. Подача сигнала осуществляется через контакты 21-24 на дискретные входы S3 или S4 ПЧ.

Контакты 11-14 реле К3 и К4 необходимы для реализации самоподхвата соответствующего реле после прохождения аварийного сигнала. Цепь самоподхвата, при возникновении любой аварии, обеспечивает непрерывную подачу запрещающего работу насоса сигнала.

Кнопки S4 и S5 применяются для сброса аварии Насоса 1 и Насоса 2 соответственно.

2.5 Цепи индикации

Цепи индикации, изображенные на рисунке 7, обеспечивают визуальное отображение состояния схемы управления.

Лампа Н1 используется для индикации работы Насоса 1. Подача питания на лампочку Н1 осуществляется контактами 43-44 контактора КМ1 при его включении.

Лампа Н2 используется для индикации работы Насоса 2. Подача питания на лампочку Н2 осуществляется контактами 43-44 контактора КМ2 при его включении.

Лампа Н3 используется для индикации аварии Насоса 1. Подача питания на лампочку Н1 осуществляется контактами 31-34 реле К3 при его включении после прохождения аварийного сигнала по цепи «контакт S3 РДД-2Р — контакт 11-14 реле К1» либо «контакт 11-14 реле К5 — контакт 11-14 реле К1».

Лампа Н4 используется для индикации аварии Насоса 2. Подача питания на лампочку Н2 осуществляется контактами 31-34 реле К4 при его включении после прохождения аварийного сигнала по цепи «контакт S3 РДД-2Р — контакт 11-14 реле К2» либо «контакт 11-14 реле К5 — контакт 11-14 реле К2».

Лампа Н5 используется для индикации наличия «сухого хода». Подача питания на лампочку Н5 осуществляется контактами 11-14 реле К6 при его включении после прохождения аварийного сигнала «сухой ход» от реле давления РД-2Р (контакт S6 на рисунке 6).

3 Список настраиваемых параметров преобразователя частоты

Настройка преобразователя частоты EMD-PUMP осуществляется в соответствии с таблицей 2.

** — значение параметра задается в соответствии с условиями/требованиями технологического процесса и допустимым режимом работы оборудования.

Следует понимать, что приведенные параметры настройки не могут быть унифицированы под любое применение. В каждом конкретном случае будут присутствовать свои ограничения, накладывающие определенные условия на режим работы оборудования. Поэтому, в процессе настройки преобразователя частоты, пользователь должен самостоятельно задать значения параметров со знаком «**» в таблице 2:

Значения параметров F1.05 (минимальная выходная частота) и F1.06 (максимальная выходная частота) должны соответствовать не только требованиям технологического процесса, но и допустимому пределу регулирования скорости вращения насоса указанному в руководстве по эксплуатации. В частности, область оптимальной и экономически выгодной работы, для большинства центробежных насосов, находится в диапазоне частот от 25 Гц до 50 Гц.

Значения параметров F1.07 (время разгона) и F1.08 (время торможения) должны выбираться исходя из условия обеспечения плавного запуска и остановки насоса для исключения возникновения гидроударов в системе, а также перегрузки электродвигателя и преобразователя частоты. Даже для одинаковых моделей насосов, это время может различаться, в зависимости от конфигурации гидравлической системы. Также следует упомянуть, что включение режима токоограничения может способствовать увеличению времени разгона. Если выходной ток преобразователя частоты достигнет установленного в параметре F4.09 значения, разгон прекратится до того момента, пока ток не начнет снижаться. В случае превышения уровня токоограничения, ПЧ начнет торможение, которое будет продолжаться до момента, пока значение тока не станет ниже уровня токоограничения. После этого разгон возобновится.

Настройка параметров F4.20 (количество автостартов после аварии) и F4.21 (задержка перед автостартом после аварии) обеспечивает запуск резервного насоса после аварии ПЧ (обрыв сигнала обратной связи, перегрузка электродвигателя, пониженное напряжение питания и другие). Если после запуска резерва авария повторится, то работа всей схемы управления заблокируется, независимо от заданного количества автостартов после аварии. Если эти параметры будут равны нулю, ввод резерва после аварии ПЧ будет не активен.

При настройке параметров токовой защиты F4.23 и F4.24 следует опираться на допустимый уровень перегрузки ПЧ и электродвигателя. К примеру, преобразователи частоты серии EMD-PUMP допускают перегрузку 120% от номинального выходного тока в течение 60 секунд. Если электродвигатель допускает большую перегрузку, токовая защита должна быть ограничена на уровне 120% от номинального тока ПЧ.

При настройке параметров F4.27 (уставка Таймера 1) и F4.28 (уставка Таймера 2) необходимо учитывать значение параметра F1.07 (время разгона), а также производительность насоса. Насос должен успевать создавать требуемый перепад давления до окончания счета таймера. В противном случае, даже при исправном насосе, будет проходить аварийный сигнал блокирующий работу.

При необходимости автоматического запуска насоса после пропадания питания следует задействовать функцию «Автостарт после подачи питания», которая настраивается параметрами F4.16 (включение автостарта) и F4.17 (задержка перед автостартом). Если данная функция не задействована, для запуска насоса после пропадания питания необходимо осуществить сброс и повторную подачу сигнала «Пуск» на дискретный вход FWD.

Функция «спящий режим» позволяет останавливать насос в моменты, когда его работа экономически не целесообразна, например, при низком уровне водопотребления. После возобновления потребления воды произойдет повторный запуск насоса и регулирование частоты вращения продолжится. Включение/выключение «спящего режима» осуществляется с помощью параметра F6.68, а условия входа/выхода из него задаются в параметрах F6.69 – F6.74.

4 Описание алгоритма работы схемы управления

Для описания алгоритма необходимо воспользоваться электрической схемой подключения (рисунок 8) и циклограммой работы (рисунок 9).

Алгоритм работы схемы описан в таблице 3.

Заключение

В статье был рассмотрен самый функциональный способ периодического чередования двух насосов по времени, выполняющий следующие функции:

Регулирование частоты вращения подключенного насоса для поддержания требуемой уставки встроенного ПИД-регулятора.

Чередование насосов в соответствии с заданным пользователем интервалом времени.

Электрическая защита двигателя (перегрузка по току, перегрузка по моменту, пониженное/повышенное напряжение).

Защита от обрыва сигнала обратной связи.

Механическая блокировка от одновременного включения двигателей насосов.

Защита от «сухого хода».

Контроль работоспособности насоса по перепаду давления или давлению в выходном трубопроводе.

Автоматический ввод резерва при аварии преобразователя частоты либо одного из насосов.

Электрическая и механическая блокировки от одновременного включения двигателей насосов.

Данный вариант схемы управления может успешно применяться в различных отраслях промышленности для решения задач, связанных с чередованием насосов по времени. На основании приведенной информации, пользователь может самостоятельно адаптировать схему управления под конкретную задачу.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Пименов А.Н.