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基于PLC與全自動變頻調速給水技術的節能應用研究

1、全自動變頻調速給水系統概述

      本文的內容是結合PLC和變頻器的功能，實現對送水泵房的恒壓供水系統控制；系統采用變頻調速方式自動調節水泵電機的速度，利用PLC的PID的自動調節功能控制變頻器，形成以壓力為閉環的控制系統，從而實現恒壓供水，而水組泵的啟動和停止可以通過自動和手動來實現，該全自動變頻調速給水系統運行可靠，抗干擾性強，且具有較強的節能性。但在自動控制的實現過程中，系統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組成

      PLC-變頻器和軟啟動器控制系統由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控制原理

      全自動變頻調速給水系統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，送給變頻器，由變頻器控制電機的轉速，調節系統的供水量，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。根據用水量的大小由PLC控制工作泵的數量增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。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控制系統。此外，系統還設有多種保護功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無極調速，從而使管網水壓連續變化。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定在這一數值上。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PLC的配置及PID程序設計

      根據用戶需求，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，數字量輸入（DI）采用IC200MDL640模塊，數字量輸出（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。在現場實際中，數字量輸入輸出（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。上位機監控系統使用一臺工程師站和一臺操作員站。兩臺工業計算機分別采用以太網絡完成計算機與PLC主站之間的數據通訊。操作員站的畫面組態軟件選用GE Cimplicity組態軟件完成用戶二次軟件的開發。

全自動變頻調速給水系統PID控制各校正環節主要作用如下：

（1）比例環節：比例的增大等價于系統開環增益的增加，會引起系統響應速度，穩態誤差減少，超調量增加。當比例過大時，會使閉環系統不穩定。

（2）積分環節：相當于增加系統積分環節，主要作用是消除系統穩態誤差。積分環節作用的強弱取決于積分常數積分。微分增大，系統超調量減小，但響應速度變慢。

（3）微分環節：主要作用是提高系統響應速度，同時減小超調量。抵消系統慣性環節的滯后不良作用，使系統穩定性明顯改善。微分過大或過小都會使超調量增加，調節時間加長。由于該環節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微分環節不起作用。

GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模塊如下：PLC在本系統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，防止出現大的波動使管道的壓力出現大的震蕩。 

5、全自動變頻調速給水系統水泵負荷變頻調速節能原理

      水泵是將電動機的軸功率轉變為流體的設備。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，調節節流閥和擋板，這種方法雖然控制簡單，但節能較差，不經濟，動態跟蹤性能也很差。變頻調速節能是相對于閥門調節而言，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，調節水泵流量時，可通過轉速進行調節，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，采用傳統的閥門調節方式，增加系統阻力來滿足要求，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。根據上述原理，當水泵流量在較大范圍內發生變化時，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能效果。

6、全自動變頻調速給水系統節能效果評估

以沈陽某水廠為例，從系統報表可以得出系統平均軸功率輸出在50%以下，保守計算，我們按35%的節電比率來計算，系統在一年節電量為：132kW×35%×24×30×12=399168kWh，按電價0.69元來計算，一年節約電費為：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，實現了遠程控制，能夠有效地調節送水生產過程，使系統運行穩定，保持水泵高效運轉，電機實現了軟啟動，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應用變頻調速技術，在大大節約電能的基礎上，使長期輕載運行的泵工作在低轉速、低電壓的狀態下，這樣就使電機發熱少、溫升低，延長了使用壽命。變頻調速技術也提高了功率因數，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，能夠適應工業鍋爐的控制要求。節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還極大的減少了控制系統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。