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.

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.

Чередование насосов по времени без контроля аварийных состояний и без АВР

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.

Чередование насосов по времени с контролем аварийных состояний и с АВР

Данная реализация чередования требует усложнения электрической схемы управления и применения большего количества оборудования. Благодаря этому появляются дополнительные функциональные возможности:

1. Защита от «сухого хода».

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

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

4. Электрическая блокировка от одновременного включения двигателей насосов.

В данной статье будет рассмотрен первый вариант реализации чередования по времени — «без контроля аварийных состояний и без АВР» для двух насосов. Если его функциональных возможностей недостаточно, то следует использовать второй вариант схемы управления, описанный в статье «Реализация чередования насосов по времени с контролем аварийных состояний и с АВР на базе преобразователей частоты ELHART серии EMDPUMP».

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 7 штук. Для этого в схему управления требуется добавить соответствующее количество контакторов и расширить параметры настройки частотного преобразователя.

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

Защита реализуется с помощью встроенных функций ПЧ. При возникновении аварии будет остановлена работа всей схемы управления. Возобновление работы возможно только в ручном режиме, для этого необходимо сбросить аварию преобразователя частоты нажатием на кнопку «СБРОС» на пульте управления.

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).

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

Таблица 1 — Список используемого оборудования

Изображение	Условное обозначение на схеме	Маркировка	Описание	Количество
	U1	EMD-PUMP-0055 T *	Преобразователь частоты ELHART (5,5 кВт, 12,5А, 380В, встроенный ПИД-регулятор, каскадный режим, график уставок, поддержание диф. давления, съемный пульт, RS-485 Modbus RTU), серия EMD-PUMP для насосов и вентиляторов	1
	B1	PTE5000C-006-М20-С *	Датчик давления 0…6 бар, точность 0,5%, выход 4…20 мА, М20*1,5 наружная резьба, питание 10…30 V DC, -20 … +100 °С	1
	КМ1, КМ2	LSD01233 *	Контактор АС3 (12 А/5,5 кВт, 3НО, катушка 220VAC, размер 0)	2
	К1	LSZ0W002 *	Механическое устройство блокировки для контакторов LSD размера 0-3	1
	S1	B200EE	Аварийная кнопка с желт. "STOP" "Грибок" d=40 мм с фикс. и возвратом поворотом (1НЗ)	1
	S2	CP100S20	Переключатель 0-1 с фикс. 1НО IP65	1
	—	00000006782	Кран трехходовой м/м, М20×1,5 внутр. / G1/2 внутр., рабочее давление - 2,5 МПа, макс. - 6,0 МПа, макс. температура – 120 °С	1
	—	00000003129	Трубка сиф. петлевая прямая внутр. G1/2 / наруж. G1/2 (сталь, 250 бар, 300 °С, длина 360 мм)	1
	—	№4 БП-КР-40-G1/2	Бобышка приварная (штуцер приварной под кран для манометра, высота 40мм, G1/2 наружная, d=21 мм)	1
	—	00000025172	Прокладка паронитовая G1/2, M20×1,5	2

* — модификация определяется при заказе.

2 Электрическая схема подключения оборудования

На рисунке 2 представлена электрическая схема подключения используемого оборудования.

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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Функция «спящий режим» позволяет останавливать насос в моменты, когда его работа экономически нецелесообразна (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 3) и циклограммой работы (рисунок 4).

Алгоритм работы схемы описан в таблице 3.

Заключение

В статье был рассмотрен самый простой способ периодического чередования двух насосов по времени осуществляющий 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.

Данный вариант схемы управления требует минимального комплекта оборудования и позволяет решать базовые задачи управления насосами. Однако есть применения, для которых описанного функционала недостаточно и дополнительно требуется:

1. Защита насоса от «сухого хода».

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

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

Если наличие этих функций обязательно, то необходимо воспользоваться схемой управления описанной в статье «Реализация чередования насосов по времени с контролем аварийных состояний и с АВР на базе преобразователей частоты ELHART серии EMD-PUMP».

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Пименов А.Н.