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基于PLC與全自動變頻調速給水技術的節(jié)能應用研究

1、全自動變頻調速給水系統(tǒng)概述

      本文的內容是結合PLC和變頻器的功能，實現(xiàn)對送水泵房的恒壓供水系統(tǒng)控制；系統(tǒng)采用變頻調速方式自動調節(jié)水泵電機的速度，利用PLC的PID的自動調節(jié)功能控制變頻器，形成以壓力為閉環(huán)的控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)恒壓供水，而水組泵的啟動和停止可以通過自動和手動來實現(xiàn)，該全自動變頻調速給水系統(tǒng)運行可靠，抗干擾性強，且具有較強的節(jié)能性。但在自動控制的實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)還存在很多技術問題，結合一些實際配置過程與大家一起探討。

2、全自動變頻調速給水系統(tǒng)組成

      PLC-變頻器和軟啟動器控制系統(tǒng)由1個PLC控制站、2臺變頻器、3臺軟啟動器、壓力變送器、綜合保護器、液位計及5臺水泵等組成。5 臺水泵的流量是12000m3/h，電機為132kW，兩臺變頻器控制兩個水泵，三臺軟啟動器控制另外三臺水泵。在出水總管上安裝有壓力變送器探測管網的壓力，在清水蓄水池裝有液位計，檢測水池的液位并將信號送至PLC。每臺水泵都配有1臺的綜合保護器（安裝在變頻器或軟啟動機柜內）。變頻器采用西門子公司的MICROMASTER（MM440），PLC采用西門子公司的GE的可編程序控制器，出水總管上配備E+H公司的FT-1壓力傳感器和清水蓄水池FT-1E液位傳感器。

3、全自動變頻調速給水系統(tǒng)控制原理

      全自動變頻調速給水系統(tǒng)通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PLC，經PLC運算與給定的壓力進行比較，得出一比較參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制電機的轉速，調節(jié)系統(tǒng)的供水量，使供水管網上的壓力保持在給定的壓力上，當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制切換器進行加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵的數(shù)量增減及變頻器對水泵的調速，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設有多種保護功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無極調速，從而使管網水壓連續(xù)變化。壓力傳感器的任務是檢測管網水壓，壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需求的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。當供水設備啟動時，先啟動變頻泵，管網水壓達到設定值時，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在這一數(shù)值上。而當用水量增加，水壓降低時，傳感器將這一信號送入可編程控制器，可編程控制器送出一個用水量增大的模擬信號，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉速提高，水壓上升。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達到最大值，仍不能使管網水壓達到設定值，可編程序控制器就發(fā)出控制信號，啟動一臺工頻泵，其他泵依次類推。反之，當用水量減少，變頻器的輸出頻率低于某一值（一般為30Hz左右）時，管網的壓力仍高于給定的壓力，PLC也自動啟動計時器，在一定的時間段內，如果壓力仍高于給定值，PLC就自動停止一臺工頻泵的，直至壓力降低為止，其他泵依次類推。

4、全自動變頻調速給水系統(tǒng)PLC的配置及PID程序設計

      根據(jù)用戶需求，對控制器PLC的硬件配置如下， CPU模塊采用IC200CPUE05，帶2個串口的CPU，內含以太網接口，數(shù)字量輸入（DI）采用IC200MDL640模塊，數(shù)字量輸出（DO） 采用IC200MDL740模塊，模擬量輸入（AI） 采用IC200ALG240模塊，模擬量輸出（AO） 采用IC200ALG230模塊。在現(xiàn)場實際中，數(shù)字量輸入輸出（DI/DO），模擬量輸入輸出（AI/AO）都有冗余，以備系統(tǒng)臨時擴充需要。觸摸屏采用深圳威倫通10.4寸TFT65536色的MT6104T。上位機監(jiān)控系統(tǒng)使用一臺工程師站和一臺操作員站。兩臺工業(yè)計算機分別采用以太網絡完成計算機與PLC主站之間的數(shù)據(jù)通訊。操作員站的畫面組態(tài)軟件選用GE Cimplicity組態(tài)軟件完成用戶二次軟件的開發(fā)。

全自動變頻調速給水系統(tǒng)PID控制各校正環(huán)節(jié)主要作用如下：

（1）比例環(huán)節(jié)：比例的增大等價于系統(tǒng)開環(huán)增益的增加，會引起系統(tǒng)響應速度，穩(wěn)態(tài)誤差減少，超調量增加。當比例過大時，會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（2）積分環(huán)節(jié)：相當于增加系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)，主要作用是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。積分環(huán)節(jié)作用的強弱取決于積分常數(shù)積分。微分增大，系統(tǒng)超調量減小，但響應速度變慢。

（3）微分環(huán)節(jié)：主要作用是提高系統(tǒng)響應速度，同時減小超調量。抵消系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的滯后不良作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯改善。微分過大或過小都會使超調量增加，調節(jié)時間加長。由于該環(huán)節(jié)所產生的控制量與信號變化速率有關，故對信號無明顯變化或變化緩慢的系統(tǒng)微分環(huán)節(jié)不起作用。

GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模塊如下：PLC在本系統(tǒng)中主要通過模擬輸入接口AI0001（SP）設定出水管道的壓力值，通過模擬輸入接口AI0002(PV)讀取管道的實際壓力反饋信號，將AI0001（SP）與AI0002(PV)相減，產生的誤差（Error），將誤差送到PID功能模塊，通過設置比例項（Proportion）、積分（Integra）、微分（Derivative）使輸出項AQ0001達到平穩(wěn)輸出給變頻器，使變頻器輸出產生平滑的頻率給變頻水泵，防止出現(xiàn)大的波動使管道的壓力出現(xiàn)大的震蕩。 

5、全自動變頻調速給水系統(tǒng)水泵負荷變頻調速節(jié)能原理

      水泵是將電動機的軸功率轉變?yōu)榱黧w的設備。過去很少采用轉速控制的方法，多是由鼠籠式異步電機拖動進行恒速運轉，當需要改變流量時，調節(jié)節(jié)流閥和擋板，這種方法雖然控制簡單，但節(jié)能較差，不經濟，動態(tài)跟蹤性能也很差。變頻調速節(jié)能是相對于閥門調節(jié)而言，采用變頻調速器后，將閥門全開，通過改變電機電源頻率的方法來改變電機轉速。由流體力學可知，流量Q與轉速n的一次方成正比，風壓H與轉速n的平方成正比，功率P與轉速n的立方成正比，即：Q=Qe×（n/ne）, H=He×（n/ne）2, P=Pe×（n/ne）3，式中，Qe為水泵的額定流量，He為水泵的額定壓力，Pe為水泵的額定功率，ne為水泵的額定轉速。 

由上面的公式可知，調節(jié)水泵流量時，可通過轉速進行調節(jié)，此時水泵軸輸出功率與轉速的立方成正比。

      假定水泵最佳效率工作點是A點，當需減少水泵的供水量時，采用傳統(tǒng)的閥門調節(jié)方式，增加系統(tǒng)阻力來滿足要求，使水泵工作點由A點轉移到B點。這種方法不但不能節(jié)能，反而會加快水泵的效率損耗，同時低效運行會引起較高的結構振動，產生噪聲及有損設備。采用變頻調速技術后，通過變頻調速，降低異步電機的轉速，使系統(tǒng)重新達到平衡，工作點由A點轉移到C點。從C點可看出，電機轉速雖然降低了，但對水泵效率影響不大。根據(jù)上述原理，當水泵流量在較大范圍內發(fā)生變化時，采用變頻調速對水泵轉速加以控制，將會取得非常顯著的節(jié)能效果。

6、全自動變頻調速給水系統(tǒng)節(jié)能效果評估

以沈陽某水廠為例，從系統(tǒng)報表可以得出系統(tǒng)平均軸功率輸出在50%以下，保守計算，我們按35%的節(jié)電比率來計算，系統(tǒng)在一年節(jié)電量為：132kW×35%×24×30×12=399168kWh，按電價0.69元來計算，一年節(jié)約電費為：399168×0.69=275425元。

      水泵通過應用變頻調速技術后，改變了原有的操作方式，實現(xiàn)了遠程控制，能夠有效地調節(jié)送水生產過程，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保持水泵高效運轉，電機實現(xiàn)了軟啟動，無沖擊電流，設備故障率大大降低，維修費用大為減少。

     全自動變頻調速給水系統(tǒng)應用變頻調速技術，在大大節(jié)約電能的基礎上，使長期輕載運行的泵工作在低轉速、低電壓的狀態(tài)下，這樣就使電機發(fā)熱少、溫升低，延長了使用壽命。變頻調速技術也提高了功率因數(shù)，使電網損耗減少，效率提高，同時降低了水泵噪音，改善了生產環(huán)境。另外變頻器自我檢測、故障診斷、保護功能齊全，可有效地防止事故擴大化。

7、結束語

      在生活供水系統(tǒng)中目前廣泛地采用了變頻調速的恒壓供水方法，本套全自動變頻調速給水系統(tǒng)運行速度快，控制精度高，結構合理，功能齊全，軟硬件配置可靠性高，具有較高實用價值和推廣前景，能夠適應工業(yè)鍋爐的控制要求。節(jié)約了資金和人員投入，又提高了水廠供水的自動控制水平，消除了事故隱患，此外，全自動變頻調速給水系統(tǒng)還極大的減少了控制系統(tǒng)的維護工作量及設備備品，備件的更換量和更換周期，經濟效益可觀。