基于PLC与全自动变频调速给水技术的节能应用研究

 

1、全自动变频调速给水系统概述

      本文的内容是结合PLC和变频器的功能，实现对送水泵房的恒压供水系统控制；系统采用变频调速方式自动调节水泵电机的速度，利用PLC的PID的自动调节功能控制变频器，形成以压力为闭环的控制系统，从而实现恒压供水，而水组泵的启动和停止可以通过自动和手动来实现，该全自动变频调速给水系统运行可靠，抗干扰性强，且具有较强的节能性。但在自动控制的实现过程中，系统还存在很多技术问题，结合一些实际配置过程与大家一起探讨。

 

2、全自动变频调速给水系统组成

      PLC-变频器和软启动器控制系统由1个PLC控制站、2台变频器、3台软启动器、压力变送器、综合保护器、液位计及5台水泵等组成。5 台水泵的流量是12000m3/h，电机为132kW，两台变频器控制两个水泵，三台软启动器控制另外三台水泵。在出水总管上安装有压力变送器探测管网的压力，在清水蓄水池装有液位计，检测水池的液位并将信号送至PLC。每台水泵都配有1台的综合保护器（安装在变频器或软启动机柜内）。变频器采用西门子公司的MICROMASTER（MM440），PLC采用西门子公司的GE的可编程序控制器，出水总管上配备E+H公司的FT-1压力传感器和清水蓄水池FT-1E液位传感器。

 

3、全自动变频调速给水系统控制原理

      全自动变频调速给水系统通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PLC，经PLC运算与给定的压力进行比较，得出一比较参数，送给变频器，由变频器控制电机的转速，调节系统的供水量，使供水管网上的压力保持在给定的压力上，当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无极调速，从而使管网水压连续变化。压力传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。当供水设备启动时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送入可编程控制器，可编程控制器送出一个用水量增大的模拟信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使管网水压达到设定值，可编程序控制器就发出控制信号，启动一台工频泵，其他泵依次类推。反之，当用水量减少，变频器的输出频率低于某一值（一般为30Hz左右）时，管网的压力仍高于给定的压力，PLC也自动启动计时器，在一定的时间段内，如果压力仍高于给定值，PLC就自动停止一台工频泵的，直至压力降低为止，其他泵依次类推。

 

4、全自动变频调速给水系统PLC的配置及PID程序设计

      根据用户需求，对控制器PLC的硬件配置如下， CPU模块采用IC200CPUE05，带2个串口的CPU，内含以太网接口，数字量输入（DI）采用IC200MDL640模块，数字量输出（DO） 采用IC200MDL740模块，模拟量输入（AI） 采用IC200ALG240模块，模拟量输出（AO） 采用IC200ALG230模块。在现场实际中，数字量输入输出（DI/DO），模拟量输入输出（AI/AO）都有冗余，以备系统临时扩充需要。触摸屏采用深圳威伦通10.4寸TFT65536色的MT6104T。上位机监控系统使用一台工程师站和一台操作员站。两台工业计算机分别采用以太网络完成计算机与PLC主站之间的数据通讯。操作员站的画面组态软件选用GE Cimplicity组态软件完成用户二次软件的开发。

全自动变频调速给水系统PID控制各校正环节主要作用如下：

（1）比例环节：比例的增大等价于系统开环增益的增加，会引起系统响应速度，稳态误差减少，超调量增加。当比例过大时，会使闭环系统不稳定。

（2）积分环节：相当于增加系统积分环节，主要作用是消除系统稳态误差。积分环节作用的强弱取决于积分常数积分。微分增大，系统超调量减小，但响应速度变慢。

（3）微分环节：主要作用是提高系统响应速度，同时减小超调量。抵消系统惯性环节的滞后不良作用，使系统稳定性明显改善。微分过大或过小都会使超调量增加，调节时间加长。由于该环节所产生的控制量与信号变化速率有关，故对信号无明显变化或变化缓慢的系统微分环节不起作用。

GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模块如下：PLC在本系统中主要通过模拟输入接口AI0001（SP）设定出水管道的压力值，通过模拟输入接口AI0002(PV)读取管道的实际压力反馈信号，将AI0001（SP）与AI0002(PV)相减，产生的误差（Error），将误差送到PID功能模块，通过设置比例项（Proportion）、积分（Integra）、微分（Derivative）使输出项AQ0001达到平稳输出给变频器，使变频器输出产生平滑的频率给变频水泵，防止出现大的波动使管道的压力出现大的震荡。 

 

5、全自动变频调速给水系统水泵负荷变频调速节能原理

      水泵是将电动机的轴功率转变为流体的设备。过去很少采用转速控制的方法，多是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转，当需要改变流量时，调节节流阀和挡板，这种方法虽然控制简单，但节能较差，不经济，动态跟踪性能也很差。变频调速节能是相对于阀门调节而言，采用变频调速器后，将阀门全开，通过改变电机电源频率的方法来改变电机转速。由流体力学可知，流量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，功率P与转速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为水泵的额定流量，He为水泵的额定压力，Pe为水泵的额定功率，ne为水泵的额定转速。 

由上面的公式可知，调节水泵流量时，可通过转速进行调节，此时水泵轴输出功率与转速的立方成正比。

      假定水泵最佳效率工作点是A点，当需减少水泵的供水量时，采用传统的阀门调节方式，增加系统阻力来满足要求，使水泵工作点由A点转移到B点。这种方法不但不能节能，反而会加快水泵的效率损耗，同时低效运行会引起较高的结构振动，产生噪声及有损设备。采用变频调速技术后，通过变频调速，降低异步电机的转速，使系统重新达到平衡，工作点由A点转移到C点。从C点可看出，电机转速虽然降低了，但对水泵效率影响不大。根据上述原理，当水泵流量在较大范围内发生变化时，采用变频调速对水泵转速加以控制，将会取得非常显著的节能效果。

 

6、全自动变频调速给水系统节能效果评估

以沈阳某水厂为例，从系统报表可以得出系统平均轴功率输出在50%以下，保守计算，我们按35%的节电比率来计算，系统在一年节电量为：132kW×35%×24×30×12=399168kWh，按电价0.69元来计算，一年节约电费为：399168×0.69=275425元。

      水泵通过应用变频调速技术后，改变了原有的操作方式，实现了远程控制，能够有效地调节送水生产过程，使系统运行稳定，保持水泵高效运转，电机实现了软启动，无冲击电流，设备故障率大大降低，维修费用大为减少。

     全自动变频调速给水系统应用变频调速技术，在大大节约电能的基础上，使长期轻载运行的泵工作在低转速、低电压的状态下，这样就使电机发热少、温升低，延长了使用寿命。变频调速技术也提高了功率因数，使电网损耗减少，效率提高，同时降低了水泵噪音，改善了生产环境。另外变频器自我检测、故障诊断、保护功能齐全，可有效地防止事故扩大化。

 

7、结束语

      在生活供水系统中目前广泛地采用了变频调速的恒压供水方法，本套全自动变频调速给水系统运行速度快，控制精度高，结构合理，功能齐全，软硬件配置可靠性高，具有较高实用价值和推广前景，能够适应工业锅炉的控制要求。节约了资金和人员投入，又提高了水厂供水的自动控制水平，消除了事故隐患，此外，全自动变频调速给水系统还极大的减少了控制系统的维护工作量及设备备品，备件的更换量和更换周期，经济效益可观。