Каскадное управление насосами с PROMPOWER PD210 и UniMAT: пример реализованной системы
На промышленных насосных станциях расход воды меняется в зависимости от работы технологического оборудования. Для поддержания заданного давления применяют каскадное управление: автоматика регулирует производительность насосов и подключает дополнительные агрегаты по мере необходимости.
Такое решение реализовано на установке очистки воды методом обратного осмоса. Три насоса мощностью 22 кВт каждый объединены в автоматический каскад с частотными преобразователями PROMPOWER PD210 и сенсорной панелью UniMAT со встроенным ПЛК.
Система поддерживает заданное давление, автоматически подключает и отключает насосы при изменении расхода и распределяет наработку между агрегатами.
Рассмотрим устройство насосной станции, принцип каскадного управления и возможности применённого оборудования.
Реализованная система: три насоса по 22 кВт для очистки воды
На установке обратного осмоса необходимо поддерживать технологический режим подачи воды. Изменение расхода влияет на условия работы насосов и мембранного оборудования, поэтому управление насосной станцией должно учитывать текущую потребность установки.
В рассмотренной системе используются три насосных агрегата мощностью 22 кВт каждый.
Частотные преобразователи PROMPOWER PD210 обеспечивают регулирование электроприводов, а система управления на базе UniMAT координирует работу насосной группы.
При увеличении расхода автоматика подключает дополнительные насосы. Когда потребность в воде снижается, лишние агрегаты выводятся из работы.
Также реализована ротация насосов — периодическое изменение очередности их работы. Это позволяет распределять наработку между агрегатами.
Основные характеристики системы:
| Параметр | Реализация |
|---|---|
| Назначение | Подача воды на установку обратного осмоса |
| Количество насосов | 3 |
| Мощность одного насоса | 22 кВт |
| Частотные преобразователи | PROMPOWER PD210 |
| Система управления | Панель UniMAT со встроенным ПЛК |
| Алгоритм | Автоматическое каскадное управление |
| Основная функция | Поддержание заданного давления |
| Дополнительная функция | Ротация насосов и распределение наработки |
Подобная архитектура применяется при автоматизации производственного водоснабжения, станций повышения давления и технологических насосных установок.
Как работает каскадное управление насосами
В отличие от системы с одним насосом, каскад позволяет изменять производительность станции двумя способами: регулировать скорость работающих двигателей и выбирать количество включённых агрегатов.
При небольшом расходе достаточно одного насоса. Его производительность регулируется частотным преобразователем.
Когда потребность в воде увеличивается, автоматика повышает производительность работающего агрегата. Если одного насоса недостаточно для поддержания давления, подключается следующий.
При дальнейшем увеличении расхода в работу может включаться третий насос.
Когда потребление воды снижается, система уменьшает производительность и последовательно отключает избыточные агрегаты.
Так насосная станция поддерживает требуемый технологический режим без постоянного ручного переключения оборудования.
Для корректной работы каскада настраивают условия подключения и отключения насосов, задержки переключений и допустимые рабочие диапазоны. Это позволяет исключить частые пуски при небольших колебаниях давления.
Роль частотных преобразователей PROMPOWER PD210
Частотный преобразователь регулирует скорость асинхронного электродвигателя, изменяя частоту и напряжение питания.
В насосной системе это позволяет управлять производительностью агрегата в соответствии с текущей потребностью в воде.
PROMPOWER PD210 поддерживает функции, востребованные при автоматизации насосных станций:
- скалярное управление U/f и бездатчиковое векторное управление;
- плавный разгон и замедление электродвигателя;
- встроенный ПИД-регулятор;
- аналоговые и дискретные сигналы управления;
- связь с системой автоматизации по Modbus RTU через RS-485;
- контроль состояния преобразователя и защиту электропривода.
При регулировании скорости насосов можно уменьшать потребление электроэнергии в периоды сниженного расхода, особенно по сравнению с работой на постоянной скорости с дросселированием.
Для насосной станции с несколькими агрегатами частотные преобразователи работают совместно с управляющим контроллером. ПЧ регулируют электродвигатели, а автоматика определяет последовательность работы насосов.
Какую задачу выполняет UniMAT
Управление несколькими насосами требует согласованной обработки сигналов и выполнения каскадного алгоритма.
В реализованной системе используется сенсорная панель UniMAT со встроенным программируемым логическим контроллером.
Контроллер обрабатывает данные о работе станции, формирует команды управления приводами и выполняет переключение насосов. Сенсорный экран обеспечивает взаимодействие оператора с оборудованием.
На панели управления такой системы могут отображаться:
- фактическое и заданное давление;
- состояние каждого насоса;
- работающий ведущий агрегат;
- количество включённых насосов;
- текущие режимы управления;
- сообщения о неисправностях;
- наработка насосных агрегатов.
Оператор получает необходимые сведения о состоянии станции и может изменять доступные технологические уставки через единый интерфейс.
Совмещение контроллера и панели оператора особенно удобно для компактных шкафов автоматики, где требуется локальное управление насосной группой.
Поддержание давления при изменении расхода
Для автоматического регулирования давления используется обратная связь от измерительного устройства.
Датчик давления передаёт фактическое значение системе управления. Контроллер сравнивает его с установленной уставкой и определяет, как должна измениться производительность насосной станции.
Если расход увеличился и давление начало снижаться, система повышает производительность работающего насоса.
Когда достигнут предел его регулируемой производительности, автоматика подключает дополнительный агрегат.
При уменьшении водопотребления система снижает частоту вращения двигателей и выводит лишние насосы из работы.
Для устойчивого регулирования важно согласовать работу ПИД-регулятора и алгоритма каскадного переключения. На практике также используют задержки включения и отключения насосов, диапазоны допустимого давления и условия перехода между режимами.
В результате станция поддерживает заданный режим при изменении потребности в воде.
Ротация насосов и распределение наработки
Если один насос постоянно используется как ведущий, его наработка растёт значительно быстрее, чем у остальных.
Для многопомповой станции это неудобно: оборудование изнашивается неравномерно, а планирование обслуживания усложняется.
При каскадном управлении можно реализовать автоматическую ротацию. Через заданный интервал или после определённой наработки система меняет ведущий насос.
Например, в одном цикле первым запускается насос № 1, в следующем — № 2, затем — № 3.
Таким образом, все агрегаты поочерёдно выполняют основную работу, а их наработка распределяется более равномерно.
В рассмотренной установке функция ротации является частью реализованной системы управления.
Варианты построения многопомповой станции
Для каскадного управления применяют несколько схем организации электроприводов.
| Схема | Особенности | Когда применяется |
|---|---|---|
| Один ПЧ и дополнительные насосы с прямым пуском | Частота регулируется у ведущего насоса, остальные работают на фиксированной скорости | Станции с относительно простой автоматикой |
| Отдельный ПЧ на каждый насос | Скорость каждого агрегата можно регулировать индивидуально | Системы с гибким распределением производительности |
| Переключаемый ПЧ | Один преобразователь последовательно используется для управления разными агрегатами | Специализированные схемы с соответствующей коммутацией |
Выбор архитектуры зависит от требуемой производительности, диапазона изменения расхода, требований к резервированию и стоимости всей системы.
При проектировании учитывают не только мощность насосов, но и необходимость их одновременной работы, допустимое количество пусков и алгоритм управления при неисправности отдельного агрегата.
Защита насосов и контроль аварийных состояний
Промышленная насосная станция должна не только поддерживать давление, но и реагировать на изменения условий эксплуатации.
При разработке автоматики предусматривают контроль перегрузки электродвигателей, давления и наличия воды на входе насосов.
В состав системы могут входить датчики давления и уровня, устройства защиты двигателя, аварийные сигналы и необходимые технологические блокировки.
Например, защита от сухого хода предотвращает работу насоса при недостаточном количестве воды. При неисправности отдельного агрегата алгоритм станции может предусматривать использование исправных насосов для сохранения допустимой производительности.
Частотные преобразователи обеспечивают защиту электроприводов, а контроллер объединяет сигналы и выполняет общую логику управления станцией.
Состав оборудования и необходимых защит определяется технологической задачей.
Подбор PROMPOWER PD210 для насоса мощностью 22 кВт
При выборе частотного преобразователя учитывают не только мощность электродвигателя, но и его номинальный ток, напряжение питания, тип нагрузки и условия эксплуатации.
В серии PROMPOWER PD210 предусмотрены нормальный (ND) и тяжёлый (HD) режимы с разными номинальными характеристиками.
В качестве примера для насосного двигателя мощностью 22 кВт можно рассмотреть PROMPOWER PD210-A4185B.
| Характеристика PD210-A4185B | Значение |
|---|---|
| Напряжение питания | 3 × 380 В |
| Нормальный режим ND | 22 кВт / 45 А |
| Тяжёлый режим HD | 18,5 кВт / 37 А |
| Промышленная связь | RS-485, Modbus RTU |
| Встроенный ПИД-регулятор | Есть |
| Степень защиты корпуса | IP20 |
Это модель из каталога ИРСАС для рассмотрения при комплектации насосных установок. Конкретное исполнение для станции выбирают по данным электродвигателя и рабочему режиму.
Посмотреть PROMPOWER PD210-A4185B в каталоге ИРСАС
Что необходимо для автоматизации каскадной насосной станции
Подбор оборудования начинается с характеристик насосной группы и требований технологического процесса.
| Исходные данные | Для чего нужны |
|---|---|
| Количество насосов | Выбор структуры каскада |
| Мощность и ток электродвигателей | Подбор частотных преобразователей |
| Рабочее давление | Определение уставок регулирования |
| Минимальный и максимальный расход | Определение диапазона производительности |
| Характеристики насосов | Распределение нагрузки между агрегатами |
| Тип датчиков | Выбор входов контроллера |
| Требования к резервированию | Разработка алгоритма работы при отказах |
| Способ управления | Выбор ПЛК, HMI и интерфейсов связи |
После подбора основных устройств определяют состав шкафа управления: защитную аппаратуру, коммутацию, питание автоматики, датчики и необходимые интерфейсы.
При пусконаладке настраивают регулирование давления, последовательность подключения насосов, ротацию, аварийные режимы и отображение информации на панели оператора.
Где применяется каскадное управление насосами
Каскадные насосные станции востребованы в различных отраслях промышленности.
Производственное водоснабжение. Подача воды на технологические участки при переменном потреблении.
Установки водоподготовки и обратного осмоса. Поддержание требуемого давления и управление несколькими насосными агрегатами.
Станции повышения давления. Автоматическое изменение производительности в зависимости от количества потребителей.
Системы оборотного водоснабжения. Управление подачей воды в зависимости от режима производственного оборудования.
Насосные станции с резервированием. Чередование агрегатов и возможность поддерживать работу станции при выводе отдельных насосов на обслуживание.
В каждом случае состав оборудования подбирают по характеристикам насосов и необходимому алгоритму управления.
Частые вопросы
Что такое каскадное управление насосами?
Это система, которая автоматически регулирует производительность и количество работающих насосов для поддержания заданного давления или другого технологического параметра.
Можно ли использовать PROMPOWER PD210 для насосной станции?
Да. PD210 применяется для управления насосными электроприводами, поддерживает регулирование скорости, встроенный ПИД-регулятор и промышленную связь Modbus RTU.
Нужен ли ПЛК для управления несколькими насосами?
Встроенный ПИД-регулятор преобразователя подходит для многих задач регулирования одного насоса. Для каскадного управления, ротации агрегатов, обработки дополнительных сигналов и организации операторского интерфейса удобно использовать ПЛК.
Как распределяется наработка между насосами?
Контроллер периодически меняет очередность запуска и ведущий агрегат. Благодаря этому насосы используются более равномерно.
Можно ли управлять каждым насосом отдельно?
Да. При использовании индивидуальных частотных преобразователей система может регулировать скорость каждого двигателя. Схема управления выбирается при проектировании станции.
Подходит ли UniMAT для насосной автоматики?
Да. Оборудование UniMAT применяется для обработки сигналов датчиков, управления электроприводами и организации операторского интерфейса. В рассмотренной установке используется панель UniMAT со встроенным ПЛК.
Оборудование для автоматизации насосной станции в ИРСАС
Пример реализованной системы с тремя насосами по 22 кВт показывает возможности совместного применения частотных преобразователей PROMPOWER PD210 и оборудования управления UniMAT.
Для автоматизации насосных станций в каталоге ИРСАС представлены:
- Частотные преобразователи PROMPOWER — для управления скоростью насосных электродвигателей.
- PROMPOWER PD210-A4185B, 18,5/22 кВт — пример модели для рассмотрения при подборе привода.
- Программируемые контроллеры UniMAT — для построения алгоритмов управления и обработки сигналов.
- Панели оператора UniMAT — для отображения параметров станции и управления технологическим процессом.
Для подбора комплектации специалисты ИРСАС помогут выбрать преобразователи частоты, контроллеры, панели оператора и необходимые компоненты промышленной автоматизации.
Для предварительного расчёта достаточно предоставить количество насосов, мощность и ток электродвигателей, рабочее давление, требуемую производительность и описание существующей системы управления.
Каскадное управление на основе PROMPOWER и UniMAT позволяет объединить насосные агрегаты в единую автоматизированную систему, поддерживать требуемое давление и организовать равномерное использование оборудования.