Sistema de Refuerzo de Suministro de Agua a Presión Constante y Frecuencia Variable Basado en PLC

Para garantizar que los equipos de suministro de agua en la producción industrial puedan ajustar automáticamente la velocidad y la potencia de la bomba y mantener una presión constante, se diseñó un equipo de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable basado en PLC. Este equipo utiliza tecnología de frecuencia variable y un control de presión constante para lograr un suministro de agua estable. El sistema consta de una bomba de agua, un tanque de expansión y un sistema de control electrónico inteligente. Sus principales ventajas son que no requiere la construcción de una torre de agua, es de baja inversión, ocupa poco espacio, tiene un diseño flexible y utiliza regulación automática de agua y gas. Además, se conecta automáticamente a la red de agua corriente, puede suministrar agua incluso después de un corte de energía y no requiere supervisión después de la depuración.

Imagen: Diagrama esquemático del sistema de refuerzo de suministro de agua

1. Descripción General

El equipo de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable es un nuevo tipo de equipo de ahorro energético. Utiliza tecnología de control por microordenador para combinar un regulador de velocidad de frecuencia variable con una bomba de agua motorizada. Este equipo utiliza la presión del agua a la salida de la bomba (o el caudal del usuario) como parámetro de ajuste y controla automáticamente la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia mediante un microordenador para ajustar la velocidad del motor de la bomba. De esta manera, se logra una regulación de circuito cerrado de la presión de la red de tuberías del usuario, manteniendo automáticamente la presión constante al valor establecido, garantizando así la máxima eficiencia y ahorro energético.

El método de suministro de agua de este equipo es neumático. Cuando la presión de la red de suministro cumple con los requisitos de consumo, el sistema suministra agua directamente a la red a través de la válvula de retención de derivación. Cuando la presión de la red de suministro de agua no puede satisfacer los requisitos de uso de agua, la señal de presión del sistema se envía de vuelta al gabinete de control mediante el sensor de presión, y la bomba de agua funciona con frecuencia variable y ajusta automáticamente la velocidad de acuerdo con la cantidad de agua utilizada para mantener el suministro de agua normal en el sistema.

2. Composición del Sistema y modo de Funcionamiento

2.1 Composición del Equipo

El equipo de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable consta de una unidad de visualización de operaciones, un módulo de entrada, un módulo de salida, un convertidor de frecuencia y una fuente de alimentación. Cada unidad está controlada por un PLC para lograr un suministro de agua a presión constante.

1. Módulo de Entrada: El módulo de entrada se utiliza para recibir señales de sensores o interruptores externos y convertirlas en señales digitales para su procesamiento por el host PLC. Por ejemplo, un sensor de presión puede utilizarse como parte de un módulo de entrada para detectar la presión de una tubería de suministro de agua.
2. Módulo de Salida: El módulo de salida convierte la señal de salida del host PLC en una señal que permite controlar un actuador externo. Por ejemplo, el módulo de salida controla el convertidor de frecuencia para ajustar la frecuencia de funcionamiento de la bomba de agua y lograr una presión de suministro de agua constante.
3. Convertidor de Frecuencia: El convertidor de frecuencia es un dispositivo electrónico que controla la velocidad y la potencia de salida del motor. En equipos de suministro de agua a presión constante con frecuencia variable, el convertidor de frecuencia ajusta la velocidad de la bomba de agua para lograr una presión de suministro constante. Recibe la señal de salida del PLC y ajusta la frecuencia de operación de la bomba de agua según sea necesario.
4. Unidad de Operación y Visualización: La unidad de operación y visualización es la interfaz que permite a los usuarios interactuar con el sistema de control del equipo de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable. Generalmente, consta de una pantalla táctil o un panel de teclas que muestra el estado del sistema, recibe comandos del usuario y proporciona información sobre alarmas y diagnóstico de fallas.
5. Unidad de fuente de Alimentación: La unidad de fuente de alimentación proporciona un voltaje de suministro de energía estable para todo el sistema de control para garantizar el funcionamiento normal del sistema.

Los componentes mencionados se conectan mediante cables o buses para formar un sistema completo de control de equipos de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable basado en PLC. Mediante la programación y la parametrización del PLC, el sistema puede realizar funciones como control automático, monitoreo y diagnóstico de fallas, mejorando así la estabilidad y la eficiencia del sistema de suministro de agua. Como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Diagrama de Componentes del Sistema

2.2 Estructura del Hardware del Sistema de Control

El equipo de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable incorpora un avanzado sistema de control de bucle cerrado. El controlador de presión en la red de tuberías de salida toma muestras de la presión del agua y la convierte en la señal eléctrica correspondiente, que se transmite al procesador central inteligente del convertidor de frecuencia para su control. El convertidor de frecuencia recibe la señal de presión real de la red de tuberías y la compara con el valor de presión definido por el usuario. La frecuencia de salida del convertidor de frecuencia se controla mediante el valor de desviación para modificar la potencia de salida del motor. Simultáneamente, la velocidad de la bomba se ajusta automáticamente o se activa y desactiva según la variación del consumo de agua en la red de tuberías. Cuando el consumo de agua aumenta, aumentan la tensión y la frecuencia de salida, la velocidad de la bomba aumenta y el caudal de agua aumenta; cuando el consumo de agua disminuye, la velocidad de la bomba disminuye, el caudal de agua se reduce y la presión de suministro se mantiene constante. La estructura de hardware del sistema de control se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Diagrama de la Estructura del Sistema de Hardware

2.3 Working Mode

Durante el funcionamiento, el sensor de presión de agua y el inversor del sistema de suministro de agua de frecuencia variable y presión constante pueden fallar debido a pérdidas y a la influencia del entorno externo. Para evitar fallas, se deben configurar diferentes modos según las necesidades. Los modos de funcionamiento específicos disponibles son los siguientes:

1. Modo de Presión Constante: En el modo de presión constante, el dispositivo ajusta automáticamente la velocidad de la bomba según la presión objetivo establecida para mantener una presión de suministro de agua constante. Cuando la presión de suministro de agua es inferior a la presión objetivo establecida, el dispositivo aumenta la velocidad de la bomba; cuando es superior a la presión objetivo establecida, la reduce. Este modo es ideal para aplicaciones que requieren una presión de suministro de agua estable, como edificios residenciales y comerciales.
2. Modo de Flujo Constante: En el modo de caudal constante, el dispositivo ajusta automáticamente la velocidad de la bomba para mantener un caudal constante. En este modo, ajusta la velocidad de la bomba según el caudal objetivo establecido para satisfacer las necesidades específicas. Este modo es ideal para aplicaciones que requieren un caudal estable, como sistemas de refrigeración, producción industrial, etc.
3. Modo de Ahorro de Energía: En el modo de ahorro de energía, el dispositivo ajusta la velocidad de la bomba de agua para optimizar la eficiencia energética según la demanda real y la variación de presión en la tubería de suministro. Este modo ajusta automáticamente la potencia de la bomba según la variación de carga para minimizar el consumo de energía y garantizar el funcionamiento normal del sistema de suministro. El modo de ahorro de energía suele combinarse con la función de presión constante o caudal constante para lograr un sistema de suministro de agua más eficiente.
4. Modo Equilibrado: En modo equilibrado, el dispositivo ajusta automáticamente la velocidad de cada bomba para lograr un suministro de agua equilibrado según el estado de funcionamiento y las necesidades de varias bombas. Al equilibrar dinámicamente la salida de las diferentes bombas, este modo mejora la fiabilidad del sistema, equilibra las cargas y prolonga la vida útil de las bombas de agua.

3. Software del Sistema

3.1 Flujo del Software del Sistema

El sistema de software consta de una interfaz de usuario, un controlador, un sensor, un variador de frecuencia, un módulo de comunicación y un sistema de almacenamiento y procesamiento de datos. Su proceso de software incluye el arranque e inicialización, la interacción con la interfaz de usuario, la adquisición de datos y la retroalimentación del sensor, el control del variador de frecuencia, el registro de datos y la alarma, etc.

1. Inicio e Inicialización: Al iniciar el sistema, se inicializa cada componente. El controlador arranca y carga los parámetros predeterminados, el módulo de comunicación establece una conexión con el sistema externo y el sensor realiza una autoprueba y calibración.
2. Interacción de la Interfaz de Usuario: Los usuarios interactúan con el dispositivo a través de la interfaz. Pueden establecer la presión objetivo, monitorear la presión y el flujo en tiempo real, ver información de alarmas, etc. La interfaz transmite la información del usuario al controlador.
3. Recopilación de Datos y Retroalimentación de Sensores: El sensor recopila datos como la presión y el caudal de la tubería de suministro de agua en tiempo real y los transmite al controlador. Este recibe los datos del sensor para supervisar el estado actual del suministro de agua.
4. Control de Variador de Frecuencia: El controlador envía una señal de control al variador de frecuencia para ajustar la velocidad y la potencia de salida del motor. El variador de frecuencia modifica el estado operativo del motor según la señal de control para alcanzar la presión objetivo establecida.
5. Registro de Datos y Alarma: El sistema registrará datos clave, como la presión en tiempo real, el flujo, el estado de funcionamiento de la bomba, etc. Si se detecta una situación anormal, como exceder el rango de fluctuación de presión, falla de la bomba, etc., el sistema activará una alarma y mostrará la información de la alarma en la interfaz de usuario.

3.2 Configuración de Parámetros

Para garantizar que el controlador ejecute el algoritmo de control según la presión objetivo establecida y los datos proporcionados por el sensor, se ajusta la salida del variador de frecuencia para lograr un suministro de agua a presión constante. Los parámetros deben configurarse con antelación. Los parámetros principales son:

Presión Establecida: Ajuste la presión de suministro de agua necesaria. Establezca un valor de presión objetivo adecuado según la aplicación y los requisitos específicos.

Selección de Presión: Establezca el rango de fluctuación de presión admisible. Cuando la presión real del suministro de agua fluctúe dentro de este rango, el equipo de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable ajustará automáticamente su estado de funcionamiento.

Presión Mínima de Arranque: Establezca la presión mínima necesaria para arrancar la bomba de agua. Cuando la presión real del suministro de agua sea inferior a este valor, el equipo arrancará automáticamente la bomba para proporcionar la presión de agua necesaria.

Sensibilidad del Sensor de Presión: Ajuste la sensibilidad del sensor de presión para garantizar la precisión de la detección de cambios de presión por parte del dispositivo.

Tiempo de Retroalimentación: Configure el tiempo de detección y respuesta del dispositivo a los cambios de presión. Un tiempo de respuesta más corto permite ajustar el estado operativo de la bomba de agua con mayor rapidez.

La siguiente tabla es una lista detallada de algunos parámetros.

Tabla 1: Tabla de Configuración de Parámetros

4. Depuración del Sistema

Tras realizar los preparativos para el arranque del equipo, abra completamente la válvula de entrada y cierre la válvula de la tubería de descarga. Encienda el equipo, inicie el programa y acceda a la interfaz principal del sistema, como se muestra a continuación.

Imagen 3: Página de inicio del Sistema

5. Conclusión

Este documento diseña un equipo de suministro de agua a presión constante y frecuencia variable que permite un suministro estable y confiable, garantizando que la presión de la tubería fluctúe dentro del rango establecido y respondiendo oportunamente a las necesidades del usuario y a situaciones anormales. Además, permite ajustar y cambiar los modos de funcionamiento según la configuración del usuario y la retroalimentación en tiempo real.