Sistema de reforço de Abastecimento de água com Frequência Variável e Pressão Constante Baseado em PLC

Para garantir que o equipamento de abastecimento de água na produção industrial possa ajustar automaticamente a velocidade e a potência da bomba d’água e garantir que o sistema de abastecimento de água mantenha sempre uma pressão de água constante, foi projetado um equipamento de abastecimento de água de pressão constante e frequência variável baseado em CLP. O equipamento utiliza tecnologia de frequência variável e estratégia de controle de pressão constante para obter um fornecimento de pressão de água estável. Todo o sistema consiste em uma bomba d’água, um tanque de expansão e um sistema de controle eletrônico inteligente. Suas principais vantagens são: não requer a construção de uma torre de água, tem um pequeno investimento, um tamanho compacto, um layout flexível e utiliza regulação automática de água e gás; ao mesmo tempo, é conectado automaticamente à rede de água encanada, ainda pode fornecer água após uma queda de energia e não requer supervisão após a depuração.

Imagem: Diagrama do esquema do sistema de reforço de abastecimento de água

1. Visão geral

O equipamento de abastecimento de água com pressão constante e frequência variável é um novo tipo de equipamento de abastecimento de água com economia de energia. Utiliza tecnologia de controle por microcomputador para combinar o regulador de velocidade de frequência variável com a bomba d’água motorizada. O equipamento de abastecimento de água com pressão constante e frequência variável utiliza a pressão da água na saída da bomba d’água (ou o fluxo de água do usuário) como parâmetro de configuração e controla automaticamente a frequência de saída do conversor de frequência por meio do microcomputador para ajustar a velocidade do motor da bomba d’água, de modo a obter a regulação em circuito fechado da pressão da água da rede de tubulação do usuário, de modo que o sistema de abastecimento de água mantenha automaticamente a pressão constante no valor de pressão definido, de modo que todo o sistema de abastecimento de água mantenha sempre o melhor estado de alta eficiência e economia de energia.

O método de abastecimento de água do equipamento neste artigo utiliza o abastecimento pneumático de água. Quando a pressão da rede de abastecimento de água atende aos requisitos de consumo de água, o sistema fornece água diretamente para a rede de abastecimento de água por meio da válvula de retenção de bypass. quando a pressão da rede de abastecimento de água não pode atender aos requisitos de uso de água, o sinal de pressão do sistema é realimentado ao gabinete de controle pelo sensor de pressão, e a bomba de água opera com frequência variável e ajusta automaticamente a velocidade de acordo com a quantidade de água usada para manter o abastecimento normal de água no sistema.

2. Composição do Sistema e Modo de Trabalho

2.1 Composição do Equipamento

O equipamento de abastecimento de água com pressão constante e frequência variável consiste em uma unidade de exibição de operação, um módulo de entrada, um módulo de saída, um conversor de frequência e uma fonte de alimentação. Cada unidade é controlada por um CLP host para garantir o fornecimento de água com pressão constante.

1. Módulo de Entrada: O módulo de entrada é usado para receber sinais de sensores ou interruptores externos e convertê-los em sinais digitais para processamento pelo host do CLP. Por exemplo, um sensor de pressão pode ser usado como parte de um módulo de entrada para detectar a pressão de uma tubulação de abastecimento de água.
2. Módulo de Saída: O módulo de saída é usado para converter o sinal de saída do host PLC em um sinal que pode controlar um atuador externo. Por exemplo, o módulo de saída pode controlar o conversor de frequência para ajustar a frequência de operação da bomba d’água e manter uma pressão de fornecimento de água constante.
3. Conversor de Frequência: O conversor de frequência é um dispositivo eletrônico usado para controlar a velocidade e a potência de saída do motor. Em equipamentos de abastecimento de água com frequência variável e pressão constante, o conversor de frequência é usado para ajustar a velocidade da bomba d’água para atingir uma pressão de abastecimento de água constante. Ele recebe o sinal de saída do host PLC e ajusta a frequência de operação da bomba d’água conforme necessário.
4. Unidade de Operação e Exibição: A unidade de operação e exibição é a interface para os usuários interagirem com o sistema de controle do equipamento de abastecimento de água de frequência variável e pressão constante. Geralmente, é composta por uma tela sensível ao toque ou um painel de teclas, que é usado para exibir o status do sistema, receber comandos do usuário e fornecer informações de alarme e diagnóstico de falhas.
5. Unidade de fonte de Alimentação: A unidade de fonte de alimentação fornece tensão de alimentação estável para todo o sistema de controle para garantir a operação normal do sistema.

Os componentes acima são conectados por cabos ou barramentos para formar um sistema completo de controle de equipamentos de abastecimento de água de frequência variável e pressão constante baseado em CLP. Por meio da programação e configuração de parâmetros do CLP, o sistema pode realizar funções como controle automático, monitoramento e diagnóstico de falhas, além de melhorar a estabilidade e a eficiência do sistema de abastecimento de água. Conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Diagrama de Componentes do Sistema

2.2 Estrutura de Hardware do Sistema de Controle

O equipamento de abastecimento de água com pressão constante e frequência variável adota um avançado sistema de controle em malha fechada. O controlador de pressão na rede de tubulação de saída coleta a pressão da água e a converte em um sinal elétrico correspondente, que é transmitido ao processador central inteligente do conversor de frequência para controle. O conversor de frequência recebe o sinal de pressão real da rede de tubulação e o compara com o valor de pressão definido pelo usuário. A frequência de saída do conversor de frequência é controlada pelo valor de desvio para alterar a potência de saída do motor. Ao mesmo tempo, a velocidade da bomba é ajustada automaticamente ou a bomba de água é ligada e desligada de acordo com a variação do consumo de água na rede de tubulação. Quando o consumo de água aumenta, a tensão e a frequência de saída aumentam, a velocidade da bomba aumenta e a saída de água aumenta; quando o consumo de água diminui, a velocidade da bomba diminui, a saída de água é reduzida e a pressão de abastecimento de água é mantida constante. A estrutura de hardware do sistema de controle é mostrada na Figura 2.

Figura 2: Diagrama da Estrutura do Sistema de Hardware

2.3 Modo de Trabalho

Durante a operação, o sensor de pressão da água e o inversor no sistema de abastecimento de água de pressão constante e frequência variável podem falhar devido a perdas e à influência do ambiente externo. Para evitar falhas, diferentes modos precisam ser configurados de acordo com as diferentes necessidades. Os modos de trabalho específicos disponíveis são os seguintes:

1. Modo de Pressão Constante: No modo de pressão constante, o dispositivo ajusta automaticamente a velocidade da bomba de acordo com a pressão alvo definida para manter uma pressão de abastecimento de água constante. Quando a pressão de abastecimento de água for inferior à pressão alvo definida, o dispositivo aumenta a velocidade da bomba; quando a pressão de abastecimento de água for superior à pressão alvo definida, o dispositivo reduz a velocidade da bomba. Este modo é adequado para aplicações que exigem uma pressão de abastecimento de água estável, como edifícios residenciais e comerciais.
2. Modo de Fluxo Constante: No modo de fluxo constante, o dispositivo ajusta automaticamente a velocidade da bomba para manter um fluxo de água constante. Neste modo, o dispositivo ajusta a velocidade de operação da bomba de acordo com a vazão alvo definida para atender a requisitos específicos de vazão. Este modo é adequado para aplicações que precisam manter um fluxo estável, como sistemas de refrigeração, produção industrial, etc.
3. Modo de Economia de Energia: No modo de economia de energia, o dispositivo ajusta a velocidade da bomba d’água para fornecer o melhor desempenho de eficiência energética de acordo com a demanda real e a variação de pressão da tubulação de abastecimento de água. Este modo ajusta automaticamente a saída da bomba d’água de acordo com a variação de carga para minimizar o consumo de energia e garantir o funcionamento normal do sistema de abastecimento de água. O modo de economia de energia geralmente é combinado com a função de pressão constante ou fluxo constante para alcançar um sistema de abastecimento de água mais eficiente.
4. Modo Balanceado: No modo balanceado, o dispositivo ajusta automaticamente a velocidade de cada bomba para atingir um fornecimento de água equilibrado, de acordo com o estado operacional e as necessidades de várias bombas de abastecimento de água. Ao balancear dinamicamente a saída de diferentes bombas, este modo pode melhorar a confiabilidade do sistema, equilibrar as cargas e prolongar a vida útil das bombas de água.

3. Software de Sistema

3.1 Fluxo de Software do Sistema

O sistema de software consiste em uma interface de usuário, controlador, sensor, inversor de frequência, módulo de comunicação e armazenamento e processamento de dados. Seu processo de software inclui inicialização e inicialização, interação com a interface de usuário, aquisição de dados e feedback do sensor, controle do inversor de frequência, gravação de dados e alarme, etc.

1. Inicialização e Inicialização: Quando o sistema inicia, cada componente é inicializado. O controlador inicia e carrega os parâmetros padrão, o módulo de comunicação estabelece uma conexão com o sistema externo e o sensor realiza o autoteste e a calibração.
2. Interação da Interface do Usuário: Os usuários interagem com o dispositivo por meio da interface do usuário. Eles podem definir a pressão alvo, monitorar a pressão e o fluxo em tempo real, visualizar informações de alarme, etc. A interface do usuário transmite as informações do usuário para o controlador.
3. Coleta de Dados e Feedback do Sensor: O sensor coleta dados como pressão e vazão da tubulação de abastecimento de água em tempo real e os envia de volta ao controlador. O controlador recebe os dados do sensor para monitorar o status atual do abastecimento de água.
4. Controle de Acionamento de Frequência Variável: O controlador envia um sinal de controle ao inversor de frequência para ajustar a velocidade do motor e a potência de saída. O inversor de frequência altera o estado operacional do motor de acordo com o sinal de controle para atingir a pressão alvo definida.
5. Gravação de dados e Alarme: O sistema registrará dados importantes, como pressão em tempo real, fluxo, status de operação da bomba, etc. Se uma situação anormal for detectada, como exceder a faixa de flutuação de pressão, falha da bomba, etc., o sistema disparará um alarme e exibirá as informações do alarme na interface do usuário.

3.2 Configuração de Parâmetros

Para garantir que o controlador execute o algoritmo de controle de acordo com a pressão alvo definida e os dados retornados pelo sensor, a saída do acionamento de frequência variável é ajustada para atingir um fornecimento de água com pressão constante. Os parâmetros precisam ser definidos previamente. Os principais parâmetros são:

Pressão Definida: Defina a pressão de abastecimento de água necessária. Defina um valor de pressão alvo adequado de acordo com o cenário e os requisitos específicos da aplicação.

Seleção de Pressão: Defina a faixa de flutuação de pressão permitida. Quando a pressão real do fornecimento de água flutuar dentro dessa faixa, o equipamento de fornecimento de água de frequência variável e pressão constante ajustará automaticamente o estado de funcionamento.

Pressão Mínima Inicial: Defina a pressão mínima necessária para acionar a bomba d’água. Quando a pressão real de abastecimento de água for inferior a esse valor, o equipamento acionará automaticamente a bomba d’água para fornecer a pressão necessária.

Sensibilidade do Sensor de Pressão: Ajuste a sensibilidade do sensor de pressão para garantir a precisão da detecção de alterações de pressão pelo dispositivo.

Tempo de Feedback: Ajuste o tempo de detecção e resposta do dispositivo às mudanças de pressão. Um tempo de resposta mais curto pode ajustar o estado operacional da bomba d’água mais rapidamente.

A tabela a seguir é uma lista detalhada de alguns parâmetros.

Tabela 1: Tabela de Configuração de Parâmetros

4. Depuração do Sistema

Após os preparativos para a inicialização do equipamento, abra totalmente a válvula de entrada e feche a válvula do tubo de descarga. Ligue a energia, inicie o programa e acesse a interface principal do sistema, conforme mostrado abaixo.

Imagem 3: Página inicial do Sistema

5. Conclusão

Este artigo projeta um conjunto de equipamentos de abastecimento de água com pressão constante e frequência variável, que permite um abastecimento de água estável e confiável com pressão constante e frequência variável, garantindo que a pressão da tubulação de abastecimento de água flutue dentro da faixa definida e respondendo às necessidades do usuário e a situações anormais em tempo hábil. Ao mesmo tempo, permite ajustar e alternar os modos de operação de acordo com as configurações do usuário e com feedback em tempo real.