PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)供水泵的節(jié)能改造

李巧琳　楊永剛

摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用越來越廣泛，而隨著控制技術(shù)和控制手段的不斷提高，變頻調(diào)速發(fā)展到了矢量控制和PID控制的階段，更有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制及良好的節(jié)能效果。針對(duì)蘭州藍(lán)星有限公司供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能改造，實(shí)現(xiàn)了泵組自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的同時(shí)具有故障顯示和報(bào)警功能，有效地節(jié)省人力、資金，確保了供水系統(tǒng)及生產(chǎn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：節(jié)能改造；PID；PLC；變頻調(diào)速系統(tǒng)；供水泵 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN733 文章編號(hào)：1009-2374（2015）06-0096-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0475

1 概述

隨著工業(yè)控制自動(dòng)化需求的快速擴(kuò)大，變頻器節(jié)能、調(diào)速等功能在企業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。充分利用變頻器的各種功能，合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，對(duì)我公司節(jié)約電能消耗、降低生產(chǎn)成本、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝等方面有著非常重要的意義。特別是變頻器與靈活性強(qiáng)、可靠性高、控制速度快、易操作的可編程控制器（PLC）的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多種功能，可滿足不同的生產(chǎn)工藝和操作要求。

1.1 改造的必要性

本文的課題是：通過變頻器的恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)，依據(jù)水壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，從而保持水系統(tǒng)的供水穩(wěn)定，以滿足生產(chǎn)生活用水的需求。

1.2 水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理

水泵變頻調(diào)速比目前常用的閥門調(diào)節(jié)控制流量有著明顯的節(jié)能效果。

圖中曲線Ⅰ為水泵在恒速下的水壓/流量（H/Q）特性，曲線Ⅱ?yàn)楹闼傧碌墓β?流量（N/Q）特性，曲線Ⅲ為管網(wǎng)的阻力特性（閥門開度為全開）。若水泵在設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn)時(shí)的效率最高，輸出水量（流量）Q1為100%，此時(shí)的軸功率N1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，當(dāng)流量需從Q1減少到Q2（假設(shè)此時(shí)為50%流量）時(shí)，如通過采用調(diào)節(jié)閥門的方法，相當(dāng)于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變?yōu)榍€Ⅳ，系統(tǒng)由原來的工況A點(diǎn)變到新的工況B點(diǎn)，從圖中可以看出，水壓反而增加了，軸功率N2與Q2、H2的乘積面積BH2OQ2成正比，其減少不多；若采用變頻調(diào)速控制的方式（在保持原管網(wǎng)阻力不變的情況下），水泵轉(zhuǎn)速從n1降低到n2后，由水泵參數(shù)的比例定律可知，在轉(zhuǎn)速n2下的水壓/流量（H/Q）特性如曲線Ⅴ所示，可以發(fā)現(xiàn)，在滿足同樣流量Q2的情況下，水壓大幅度降低到H3，功率N3同時(shí)也隨著顯著減少，節(jié)省的能量損耗△N=△HQ2與面積BH2H3C成正比，可以看出節(jié)能效果十分明顯。

在Q減少的同時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其功率降低比較明顯。因此在水泵等輸送流體的生產(chǎn)設(shè)備中，采用變頻調(diào)速控制方式來調(diào)節(jié)流量，在節(jié)能效果上是一個(gè)切實(shí)可行的方法。

以我公司電機(jī)額定功率為Pe=450kW的3#循環(huán)水泵為例，假設(shè)滿載時(shí)輸出的軸功率等于電機(jī)額定功率，若需要的流量下降到80%的工況時(shí)（工況1），采用調(diào)節(jié)閥門的方法，所需電源功率約為80%Pe；若采用變頻調(diào)速時(shí)，所需電源功率為51%Pe。若需要的流量下降到50%的工況時(shí)（工況2），采用調(diào)節(jié)閥門的方法，電機(jī)輸出功率約為50%Pe，采用變頻調(diào)速時(shí)，電機(jī)輸出功率為13%Pe。我公司給排水共有550kW的水泵4臺(tái)，在工況一的情況下，4臺(tái)水泵年節(jié)約電費(fèi)642721.2×4=2570884.8元。在工況二的情況下，4臺(tái)水泵年節(jié)約電費(fèi)820023.6×4=3280094.4元。

通過以上內(nèi)容可以看出，在所需流量越低時(shí)，節(jié)約電能越明顯，極大地降低了生產(chǎn)成本。

1.3 改造方案的可行性

改造方案是否可行需考慮以下五個(gè)因素：（1）滿足生產(chǎn)用水，保持水系統(tǒng)的穩(wěn)定；（2）技術(shù)的可行性；（3）操作的可行性；（4）是否節(jié)能和降低消耗；（5）改造費(fèi)用。

該方案采用閉環(huán)的變頻調(diào)速，依據(jù)水壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，能保持水系統(tǒng)的穩(wěn)定；從技術(shù)角度來說，利用變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器在線調(diào)速比較容易，同時(shí)利用PLC開關(guān)量的輸入/輸出來控制水泵的啟、停及故障報(bào)警等，操作簡單、可靠性高。故采用該方案改造現(xiàn)行的水泵運(yùn)行狀況是可行的。

2 改造方案

2.1 系統(tǒng)介紹

本恒壓調(diào)速系統(tǒng)主要由1臺(tái)可編程控制器（PLC）、1臺(tái)變頻器、壓力傳感器（液位傳感器）和2臺(tái)水泵組成，操作人員通過操作面板的按鈕、指示燈來控制、監(jiān)控供水系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2 運(yùn)行方案

本系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式：（1）手動(dòng)運(yùn)行模式。該模式主要供檢修或變頻器系統(tǒng)故障期間的運(yùn)行；（2）自動(dòng)切換變頻/工頻運(yùn)行功能。變頻器通常用于驅(qū)動(dòng)某臺(tái)固定水泵，并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率控制輔助泵工頻運(yùn)行，即當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到PID上限時(shí)，啟動(dòng)輔助泵；而輸出頻率小于PID下限時(shí)，停止輔助泵，控制方案如圖2所示：

2.3 控制原理

2.3.1 PID調(diào)節(jié)器控制。

第一，PID調(diào)節(jié)器概念。PID調(diào)節(jié)器控制是通過控制對(duì)象（水壓）的傳感器檢測控制量（反饋量），將其與目標(biāo)值（設(shè)定值）進(jìn)行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。它是PI控制和PD控制的優(yōu)點(diǎn)組合。PI控制是由比例控制（P）和積分控制（I）組合而成的，可以消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的控制精度和抗外界干擾能力；PD控制是由比例控制（P）和微分控制（D）組合而成，PD調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中能隨誤差信號(hào)的變化率而產(chǎn)生控制作用，從而在誤差信號(hào)變大之前就能產(chǎn)生有效的控制，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，用于克服系統(tǒng)的慣性滯后，提高穩(wěn)定性。采用PID方式能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。

第二，PID調(diào)節(jié)器控制原理。將壓力設(shè)定信號(hào)和反饋信號(hào)送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。

水壓反饋信號(hào)Y與設(shè)定值U進(jìn)行比較，其偏差X經(jīng)變頻器的控制器運(yùn)算后產(chǎn)生執(zhí)行量Fi去驅(qū)動(dòng)變頻器，即當(dāng)偏差X為正時(shí)，增加執(zhí)行量，如果偏差X為負(fù)時(shí)，減小執(zhí)行量，從而構(gòu)成了以設(shè)定的壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失真，且為了使PID控制系統(tǒng)穩(wěn)定，可利用變頻器自帶的PID反饋濾波器對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)。

2.3.2 PLC系統(tǒng)。本系統(tǒng)中檢測點(diǎn)及控制量較少，據(jù)其特點(diǎn)可采用我們經(jīng)常使用的歐姆龍C28P-CDR-A型可編程控制器，該控制器輸入16點(diǎn)，輸出12點(diǎn)。該控制器與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比，具有控制的可靠性高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制運(yùn)行水泵及備用水泵，充分保證供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

為使本機(jī)組可靠工作，不至于因誤操作而出現(xiàn)故障，應(yīng)在C28P內(nèi)部設(shè)定多種保護(hù)措施。

3 結(jié)語

供水系統(tǒng)通過變頻調(diào)速改造后，可根據(jù)設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在提高了供水系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)節(jié)約了電能。利用基于PLC的變頻調(diào)速和PID控制功能對(duì)循環(huán)泵進(jìn)行改造，為公司節(jié)能改造的進(jìn)程起到一定的促進(jìn)作用。

作者簡介：李巧琳（1973-），女，甘肅秦安人，蘭州藍(lán)星有限公司中級(jí)工程師，國家注冊安全工程師，國家注冊一級(jí)建造師（機(jī)電專業(yè)），研究方向：電氣安全管理、電氣自動(dòng)化控制；楊永剛（1972-），男，甘肅鎮(zhèn)原人，蘭州藍(lán)星有限公司中級(jí)工程師，國家注冊監(jiān)理工程師，國家注冊一級(jí)安裝建造師（機(jī)電專業(yè)），研究方向：機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化控制、電氣設(shè)備檢維修。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）