SPS-basiertes Druckerhöhungssystem für die Wasserversorgung mit Variabler Frequenz und Konstantem Druck

Um sicherzustellen, dass Wasserversorgungsanlagen in der industriellen Produktion Geschwindigkeit und Leistung der Wasserpumpe automatisch anpassen und so einen konstanten Wasserdruck im Wasserversorgungssystem gewährleisten können, wurde eine SPS-basierte Wasserversorgungsanlage mit variabler Frequenz und konstantem Druck entwickelt. Die Anlage nutzt Frequenzumrichtertechnologie und eine Strategie zur Druckregelung, um eine stabile Wasserversorgung zu gewährleisten. Das gesamte System besteht aus einer Wasserpumpe, einem Ausdehnungsgefäß und einer intelligenten elektronischen Steuerung. Seine herausragenden Vorteile sind der Verzicht auf den Bau eines Wasserturms, die geringe Investition, der geringe Platzbedarf, die flexible Gestaltung und die automatische Wasser- und Gasregulierung. Gleichzeitig wird es automatisch an das Leitungswassernetz angeschlossen, kann auch nach einem Stromausfall noch Wasser liefern und benötigt nach der Fehlerbehebung keine Überwachung.

Bild: Schemadiagramm des Wasserversorgungs-Druckerhöhungssystems

1. Überblick

Die Wasserversorgungsanlage mit variabler Frequenz und konstantem Druck ist eine neuartige, energiesparende Wasserversorgungsanlage. Sie nutzt Mikrocomputer-Steuerungstechnologie, um einen Drehzahlregler mit variabler Frequenz und einen Pumpenmotor zu kombinieren. Die Wasserversorgungsanlage mit variabler Frequenz und konstantem Druck nutzt den Wasserdruck am Pumpenausgang (oder den Wasserdurchfluss des Verbrauchers) als Einstellparameter und regelt automatisch die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters über den Mikrocomputer, um die Drehzahl des Pumpenmotors anzupassen. Dadurch wird der Wasserdruck im Rohrleitungsnetz des Verbrauchers geregelt. Das Wasserversorgungssystem hält den Druck automatisch konstant auf dem eingestellten Wert, wodurch das gesamte Wasserversorgungssystem stets den optimalen Zustand mit hoher Effizienz und Energieeinsparung aufrechterhält.

Die Wasserversorgungsanlage dieser Anlage nutzt pneumatische Wasserversorgung. Wenn der Druck im Wasserversorgungsnetz den Anforderungen entspricht, speist das System das Wasser über ein Bypass-Rückschlagventil direkt in das Wasserversorgungsnetz ein. Wenn der Druck des Wasserversorgungsnetzes den Wasserbedarf nicht decken kann, wird das Systemdrucksignal vom Drucksensor an den Schaltschrank zurückgemeldet und die Wasserpumpe arbeitet mit variabler Frequenz und passt die Geschwindigkeit automatisch an die verbrauchte Wassermenge an, um die normale Wasserversorgung im System aufrechtzuerhalten.

2. Systemzusammensetzung und Arbeitsweise

2.1 Ausstattungszusammensetzung

Die Wasserversorgungsanlage mit variabler Frequenz und konstantem Druck besteht aus einer Betriebsanzeigeeinheit, einem Eingangsmodul, einem Ausgangsmodul, einem Frequenzumrichter und einem Netzteil. Jede Einheit wird von einem SPS-Host gesteuert, um eine Wasserversorgung mit konstantem Druck zu gewährleisten.

1. Eingangsmodul: Das Eingangsmodul dient zum Empfangen von Signalen externer Sensoren oder Schalter und wandelt diese in digitale Signale zur Verarbeitung durch den SPS-Host um. Beispielsweise kann ein Drucksensor als Teil eines Eingangsmoduls verwendet werden, um den Druck einer Wasserleitung zu erfassen.
2. Ausgabemodul: Das Ausgangsmodul wandelt das Ausgangssignal des SPS-Hosts in ein Signal um, das einen externen Aktuator steuern kann. Beispielsweise kann das Ausgangsmodul den Frequenzumrichter steuern, um die Betriebsfrequenz der Wasserpumpe anzupassen und so einen konstanten Wasserversorgungsdruck zu erreichen.
3. Frequenzumsetzer: Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät zur Steuerung der Drehzahl und Ausgangsleistung des Motors. In Wasserversorgungsanlagen mit variabler Frequenz und konstantem Druck wird der Frequenzumrichter verwendet, um die Drehzahl der Wasserpumpe anzupassen und so einen konstanten Wasserversorgungsdruck zu erreichen. Er empfängt das Ausgangssignal des SPS-Hosts und passt die Betriebsfrequenz der Wasserpumpe nach Bedarf an.
4. Bedien- und Anzeigeeinheit: Die Bedien- und Anzeigeeinheit ist die Schnittstelle für die Interaktion des Benutzers mit dem Steuerungssystem der Wasserversorgungsanlage mit variabler Frequenz und konstantem Druck. Sie besteht üblicherweise aus einem Touchscreen oder einem Tastenfeld, das den Systemstatus anzeigt, Benutzereingaben entgegennimmt und Informationen zu Alarmen und Fehlerdiagnosen bereitstellt.
5. Netzteil: Das Netzteil sorgt für eine stabile Versorgungsspannung für das gesamte Steuerungssystem, um den normalen Betrieb des Systems sicherzustellen.

Die oben genannten Komponenten sind über Kabel oder Busse verbunden und bilden ein komplettes, SPS-basiertes Steuerungssystem für Wasserversorgungsanlagen mit variabler Frequenz und konstantem Druck. Durch SPS-Programmierung und Parametereinstellung kann das System Funktionen wie automatische Steuerung, Überwachung und Fehlerdiagnose realisieren und so die Stabilität und Effizienz des Wasserversorgungssystems verbessern. Wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Systemkomponentendiagramm

2.2 Hardwarestruktur des Steuerungssystems

Die Wasserversorgungsanlage mit variabler Frequenz und konstantem Druck verfügt über ein fortschrittliches Regelungssystem. Der Druckregler im Auslassrohrnetz misst den Wasserdruck und wandelt ihn in ein entsprechendes elektrisches Signal um, das zur Steuerung an den intelligenten Zentralprozessor des Frequenzumrichters übermittelt wird. Der Frequenzumrichter empfängt das aktuelle Drucksignal des Rohrnetzes und vergleicht es mit dem vom Benutzer eingestellten Druckwert. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters wird durch die Abweichung geregelt, um die Ausgangsleistung des Motors anzupassen. Gleichzeitig wird die Pumpendrehzahl automatisch angepasst oder die Wasserpumpe je nach Wasserverbrauch im Rohrnetz gestartet und gestoppt. Steigt der Wasserverbrauch, erhöhen sich Ausgangsspannung und -frequenz, die Pumpendrehzahl steigt und die Wasserleistung steigt; sinkt der Wasserverbrauch, sinkt die Pumpendrehzahl, die Wasserleistung wird reduziert und der Wasserversorgungsdruck konstant gehalten. Die Hardwarestruktur des Steuerungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Diagramm der Hardwaresystemstruktur

2.3 Arbeitsmodus

Während des Betriebs können Wasserdrucksensor und Wechselrichter im Konstantdruck-Wasserversorgungssystem mit variabler Frequenz aufgrund von Verlusten und Einflüssen der äußeren Umgebung ausfallen. Um Ausfälle zu vermeiden, müssen je nach Bedarf unterschiedliche Modi eingestellt werden. Die verfügbaren Betriebsmodi sind:

1. Konstantdruckmodus: Im Konstantdruckmodus passt das Gerät die Pumpendrehzahl automatisch an den eingestellten Zieldruck an, um einen konstanten Wasserversorgungsdruck aufrechtzuerhalten. Liegt der Wasserversorgungsdruck unter dem eingestellten Zieldruck, erhöht das Gerät die Pumpendrehzahl; liegt er über dem eingestellten Zieldruck, reduziert das Gerät die Pumpendrehzahl. Dieser Modus eignet sich für Anwendungen, die einen stabilen Wasserversorgungsdruck erfordern, wie z. B. Wohn- und Geschäftsgebäude.
2. Konstanter Durchflussmodus: Im Konstantdurchflussmodus passt das Gerät die Pumpendrehzahl automatisch an, um einen konstanten Wasserdurchfluss aufrechtzuerhalten. In diesem Modus passt das Gerät die Pumpendrehzahl entsprechend dem eingestellten Zieldurchfluss an, um spezifische Durchflussanforderungen zu erfüllen. Dieser Modus eignet sich für Anwendungen, die einen stabilen Durchfluss erfordern, wie z. B. Kühlsysteme, industrielle Produktion usw.
3. Energiesparmodus: Im Energiesparmodus passt das Gerät die Drehzahl der Wasserpumpe an, um die bestmögliche Energieeffizienz entsprechend dem tatsächlichen Bedarf und der Druckänderung der Wasserversorgungsleitung zu erzielen. Dieser Modus passt die Leistung der Wasserpumpe automatisch an die Laständerung an, um den Energieverbrauch zu minimieren und den normalen Betrieb des Wasserversorgungssystems sicherzustellen. Der Energiesparmodus wird üblicherweise mit der Funktion „Konstantdruck“ oder „Konstantdurchfluss“ kombiniert, um ein effizienteres Wasserversorgungssystem zu erreichen.
4. Ausgeglichener Modus: Im ausgeglichenen Modus passt das Gerät die Drehzahl jeder Pumpe automatisch an, um eine ausgeglichene Wasserversorgung entsprechend dem Betriebszustand und den Anforderungen mehrerer Wasserversorgungspumpen zu gewährleisten. Durch den dynamischen Ausgleich der Leistung verschiedener Pumpen kann dieser Modus die Systemzuverlässigkeit verbessern, Lasten ausgleichen und die Lebensdauer der Wasserpumpen verlängern.

3. Systemsoftware

3.1 Systemsoftwarefluss

Das Softwaresystem besteht aus Benutzeroberfläche, Controller, Sensor, Frequenzumrichter, Kommunikationsmodul sowie Datenspeicherung und -verarbeitung. Der Softwareprozess umfasst Start und Initialisierung, Benutzeroberflächeninteraktion, Datenerfassung und Sensorrückmeldung, Frequenzumrichtersteuerung, Datenaufzeichnung und Alarmierung usw.

1. Start und Initialisierung: Beim Systemstart werden alle Komponenten initialisiert. Der Controller startet und lädt Standardparameter, das Kommunikationsmodul stellt eine Verbindung zum externen System her und der Sensor führt einen Selbsttest und eine Kalibrierung durch.
2. Benutzeroberflächeninteraktion: Benutzer interagieren mit dem Gerät über die Benutzeroberfläche. Sie können den Zieldruck einstellen, Druck und Durchfluss in Echtzeit überwachen, Alarminformationen anzeigen usw. Die Benutzeroberfläche überträgt Benutzereingaben an den Controller.
3. Datenerfassung und Sensorfeedback: Der Sensor erfasst in Echtzeit Daten wie Druck und Durchfluss der Wasserversorgungsleitung und übermittelt diese an die Steuerung. Diese empfängt die Daten vom Sensor, um den aktuellen Status der Wasserversorgung zu überwachen.
4. Frequenzumrichtersteuerung: Der Controller sendet ein Steuersignal an den Frequenzumrichter, um die Motordrehzahl und die Ausgangsleistung anzupassen. Der Frequenzumrichter ändert den Betriebszustand des Motors entsprechend dem Steuersignal, um den eingestellten Zieldruck zu erreichen.
5. Datenaufzeichnung und Alarm: Das System zeichnet wichtige Daten wie Druck, Durchfluss, Pumpenbetriebsstatus usw. in Echtzeit auf. Wenn eine anormale Situation erkannt wird, wie z. B. das Überschreiten des Druckschwankungsbereichs, ein Pumpenausfall usw., löst das System einen Alarm aus und zeigt die Alarminformationen auf der Benutzeroberfläche an.

3.2 Parametereinstellung

Um sicherzustellen, dass der Regler den Regelalgorithmus entsprechend dem eingestellten Zieldruck und den vom Sensor zurückgemeldeten Daten ausführt, wird die Leistung des Frequenzumrichters angepasst, um eine Wasserversorgung mit konstantem Druck zu gewährleisten. Die Parameter müssen im Voraus eingestellt werden. Die wichtigsten Parameter sind:

Einstelldruck: Stellen Sie den gewünschten Wasserversorgungsdruck ein. Stellen Sie je nach Anwendungsszenario und Anforderungen einen geeigneten Zieldruckwert ein.

Druckauswahl: Stellen Sie den zulässigen Druckschwankungsbereich ein. Wenn der tatsächliche Wasserversorgungsdruck innerhalb dieses Bereichs schwankt, passt die Wasserversorgungsanlage mit variabler Frequenz und konstantem Druck den Betriebszustand automatisch an.

Mindeststartdruck: Stellen Sie den Mindestdruck ein, der zum Starten der Wasserpumpe erforderlich ist. Wenn der tatsächliche Wasserversorgungsdruck unter diesem Wert liegt, startet das Gerät automatisch die Wasserpumpe, um den erforderlichen Wasserdruck bereitzustellen.

Drucksensorempfindlichkeit: Passen Sie die Empfindlichkeit des Drucksensors an, um die Genauigkeit der Druckänderungserkennung durch das Gerät sicherzustellen.

Feedback-Zeit: Stellen Sie die Erkennungs- und Reaktionszeit des Geräts auf Druckänderungen ein. Eine kürzere Rückmeldezeit kann den Betriebszustand der Wasserpumpe schneller anpassen.

Die folgende Tabelle ist eine detaillierte Liste einiger Parameter.

Tabelle 1: Parametereinstellungstabelle

4. System-Debugging

Nachdem Sie die Inbetriebnahme vorbereitet haben, öffnen Sie das Einlassventil vollständig und schließen Sie das Ventil am Auslassrohr. Schalten Sie die Stromversorgung ein, starten Sie das Programm und rufen Sie die Hauptschnittstelle des Systems auf (siehe Abbildung unten).

Abbildung 3: System-Homepage

5. Abschluss

In diesem Dokument wird eine Reihe von Wasserversorgungsanlagen mit variabler Frequenz und konstantem Druck entwickelt. Diese Anlagen gewährleisten eine stabile und zuverlässige Wasserversorgung mit variabler Frequenz und konstantem Druck. Sie gewährleisten, dass der Druck in der Wasserversorgungsleitung innerhalb des festgelegten Bereichs schwankt, und können zeitnah auf Benutzeranforderungen und ungewöhnliche Situationen reagieren. Gleichzeitig können die Betriebsmodi entsprechend den Benutzereinstellungen und Echtzeit-Feedback angepasst und umgeschaltet werden.