基于電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)

1 、引言

汕頭市澄海區(qū)第一水廠送水泵房共有六臺送水機泵，包括55kW、75kW、110kW三種不同功率的機泵各兩臺。由于用戶用水量具有一定的隨機性，如果只靠啟動和停止機泵來保持供水壓力，這樣很難滿足隨時變化的供水要求。據(jù)統(tǒng)計分析，在水廠的生產(chǎn)成本中，送水機泵運行用電成本占了很大的比例。為降低電耗，保證供水質(zhì)量，受用戶委托對送水泵房水泵機組實施全自動變頻調(diào)壓PLC控制。全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)主要采用變頻調(diào)速技術(shù)，它具有恒定水壓，降低能耗等顯著優(yōu)點，是一項集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高效節(jié)能技術(shù)。

2 、系統(tǒng)介紹

全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)主要由一套可編程控制器PLC和一臺變頻器組成。PLC對管道壓力進(jìn)行實時采樣，并與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)壓力偏差值由PID閉環(huán)控制算法得出一調(diào)節(jié)參量，控制變頻器輸出頻率從而控制水泵電機轉(zhuǎn)速，以及根據(jù)壓力差值的大小等條件自動選定工作機泵的類型和數(shù)量，使管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力一致。

根據(jù)工藝要求，為達(dá)到既降低電耗，又避免頻繁啟停機泵，選擇110kW的機泵與變頻器組成調(diào)速泵，其余機泵作為定速泵。在一臺變頻器下的兩臺110kW的機泵加裝電氣互鎖控制，防止兩水泵同時運轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)兼有手動和自動操作功能，可根據(jù)不同的需要，選擇不同的工作方式。手動時，頻率輸出由變頻器的操作器設(shè)置，自動時，頻率輸出由PLC根據(jù)管道壓力自動調(diào)節(jié)。

3、 系統(tǒng)特點

（1）自動控制水泵轉(zhuǎn)速

實時讀入管網(wǎng)壓力值，與設(shè)定值比較，由PID控制算法得出一調(diào)節(jié)參量，控制變頻器輸出頻率，從而控制調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水。

（2）自動運行泵的類型和臺數(shù)

當(dāng)用水量較少時，調(diào)速泵調(diào)頻變速工作，保持干管水壓恒定。當(dāng)用水量超過調(diào)速泵的工頻流量，水壓降低時，變頻器先把頻率降低到70％，控制調(diào)速泵運轉(zhuǎn)，同時PLC增開定速泵，泵的類型和數(shù)量可以根據(jù)當(dāng)前的壓力差和用水量的歷史曲線決定，增開定速泵后，調(diào)速泵的運行頻率則根據(jù)壓力差進(jìn)行調(diào)整，使干管壓力接近設(shè)定值。如當(dāng)用水量減少時，變頻器降低調(diào)速泵的運行頻率，當(dāng)頻率降低到40%時，相應(yīng)地關(guān)閉定速泵，然后調(diào)整調(diào)速泵的頻率，使干管壓力接近設(shè)定值；停泵時，根據(jù)當(dāng)前的壓力差和用水量的歷史曲線決定所停的泵的類型和數(shù)量。當(dāng)水壓達(dá)不到要求，系統(tǒng)在開停泵時都應(yīng)采取延時處理，避免出現(xiàn)在短時間內(nèi)頻繁切換機泵的情況。

（3）最大限度利用原有設(shè)備，減低投資成本。

4 、變頻調(diào)壓的節(jié)能原理

為適應(yīng)用戶用水量的變化，調(diào)節(jié)出水流量，現(xiàn)通常采用兩種方法來完成流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。一種是利用控制閥或節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流，以改變出水流量；另一種是泵的調(diào)速控制，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來改變出水流量。圖l為水泵調(diào)速時的全揚程特性（H—Q）曲線。

用閥門控制時，當(dāng)流量要求從Q0減小到Q1，必須降低閥門開度。這時閥門的磨擦阻力變大，阻力曲線從R移到R’，揚程則從H0上升到Hl，運行工況點從A點移到B點。

用調(diào)速控制時，當(dāng)流量要求從Q0減小到Q1，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把速度從N100降到N80，運行工況點則從A點移到C點，揚程從H0下降到H2。

根據(jù)離心泵特性曲線公式：

P=QHr／102η （1）

式中：P——水泵使用工況軸功率（kW）；Q——使用工況點的水壓或流量（m3／s）；H——使用工況點的揚程（m）；r——輸出介質(zhì)單位體積重量（kg/m3）；η——使用工況點的泵效率（％）可得出運行在B點泵的軸功率和C點泵的軸功率分別為：

由（4）式看出，用閥門控制流量時，有△P功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制流量時，根據(jù)流量Q、揚程H、功率P和轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系，有：

由（5）式可知，流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比；揚程H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比；軸功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，即功率與轉(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。如果不是用降低閥門開度的方法，而是把電機轉(zhuǎn)速降下來，那么在同樣流量的情況下，原來消耗在閥門阻力的功率就可以避免，從而獲得圖l中BC區(qū)域大小的節(jié)能效果。本全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)選擇的調(diào)速泵的功率為P=llOkW，額定轉(zhuǎn)速為n=1450r／m，從表l可以觀察所需功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

據(jù)統(tǒng)計分析，泵大部分工作時間是運行在60%到80%的負(fù)載工作點上。由上表可以看出，60％和80％的負(fù)載工作點上所需的功率相當(dāng)于以額定轉(zhuǎn)速工作時功率的51．2％和21．6％。所以采用變頻調(diào)速控制泵的流量，理論上可以節(jié)約40%的電耗。

5 、投資效果

汕頭市澄海區(qū)第一水廠送水泵房安裝實施了全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)后，投資效果非常明顯。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）節(jié)能效果非常顯著，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

根據(jù)用戶統(tǒng)計，月平均節(jié)約電能30000kWh，按工業(yè)電價0．67元／kWh計，每月可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益2萬余元，具有明顯的經(jīng)濟效益。

（2）延長設(shè)備壽命，降低維修費用。由于電機水泵的轉(zhuǎn)速普遍下降，運行狀況明顯改善。變頻器啟動和調(diào)速平穩(wěn)，這減少了對電網(wǎng)的沖擊。同時叵壓供水對管網(wǎng)不會造成經(jīng)常性的強烈沖擊，對管網(wǎng)起了很好的保護作用。這些都對延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維修費用有積極的意義。

（3）改善工作環(huán)境，降低設(shè)備故障的可能性。采用變頻調(diào)速技術(shù)后，由于水泵出口閥全開，消除了閥門因節(jié)流而產(chǎn)生的噪音，改善了工人的工作環(huán)境。同時，克服了平常因調(diào)節(jié)閥故障對生產(chǎn)帶來的影響，具有顯著的社會效益。

（4）提高設(shè)備工作穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調(diào)波動范圍小，偏差能及時進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動調(diào)節(jié)，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，提高了供水的質(zhì)量和產(chǎn)量。而且變頻調(diào)速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數(shù)字顯示功能，提高了電機水泵運行的可靠性。

6 、結(jié)語

汕頭市澄海區(qū)第一水廠全自動變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)投入運行4年來，用戶的使用經(jīng)驗表明，系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運行工藝安全可靠、改善操作人員操作環(huán)境等優(yōu)點。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高水廠生產(chǎn)率、降低能耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益具有重大的現(xiàn)實意義。