PLC控制变频器实现的变频恒压自动供水设备节电效果分析及应用

 

    PLC自动控制变频恒压自动供水设备是在继电器控制供水设备的基础上，利用PLC取代通用继电器、定时器控制的最新技术。而变频调速器目前也因其比传统的高位水箱、水塔等供水方式，有诸多优势。而成为恒压供水设备的主体。茂名市自来水公司河东水厂利用PLC控制变频器实现自动恒压供水安全运行六年，效果良好。

　　茂名市自来水公司河东水厂供水泵房95年投入生产，日处理水量20万t/d，现阶段，采用的控制系统就是可编程控制器（简称PLC）控制变频调速技术，投入生产以来运行状况良好，收到良好的经济效益。

1、变频恒压自动供水设备的构成及基本工作原理

　　1.1设备的构成

　　河东水厂供水泵房采用一台变频器（660V500KW），控制的变频电机是（10KV450KW），一台可编程控制器及一些辅助电气控制元件，和现场的六台（10KV450KW）水泵机组、出厂压力传感器一起组成一个完整的闭环自动控制系统。变频器采用ABB公司生产的ACS600型变频器，带有DTC直接转矩控制，静态速度控制精度为标称速度的0.1%到0.5%，它还具有多种保护功能，控制盘上可以同时显示4行功能信息，每行20个字符，有四种快速编程语言可供选择，ACS600内部建立的应用宏意味着你只需按键就可以选择相应的宏，带有文字显示的控制盘使你不必查书中的代码就可进行快速编程，所有的参数被分成逻辑组，操作方便。PLC用的是THYSSEN公司产品，由于考虑到今后的发展我们采用的是模台块式结构，这样的好处是配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。

　　1.2工作原理：

　　传感器，出厂水压通过变送器输出4~20mA信号，此信号由PLC采样并与压力设定信号比较，求出其偏差。PLC控制程序根据偏差的大小再经PID运算，最后通过模拟输出口，输出一个控制电流4~20mA信号，此控制信号改变了变频调速器的输出频率，从而改变了水泵电机的转速。减少压力偏差E=PS（设定值）—PC（出厂压力），当压力偏差E为正值并持续时间T>6秒，同时变频调速器的输出频率FC=50HZ持续时间T>5秒时，PLC进行检测定速泵的运行时间，按时间少的顺序启动定速泵，相反E为负值持续时间T>6秒、FC达到最低设定值持续时间T>5秒时，按运行时间多的顺序停止定速泵运行，经反复调节最终使管网出口压力与设定值保持一致，压力偏差E=0，实现了恒压变量自动供水。

　　另外，可以通过中控室计算机对泵房的工作情况进行监控，把配套恒压供水设备的压力信号、水厂供水的流量信号和水泵工作的电流、电压、功率信号，通过数据转换传送到计算机内，PLC之间采用光缆通讯，在计算机上可画出各种参数的控制曲线和数据统计报表，并将当前数据存储起来，留作打印或以后查询之用，从而也提高了水厂的自动化管理水平。

2、PLC控制变频恒压自动供水设备节电效果分析

　　在供水行业中，电能是在企业成本管理中最有挖掘潜力的一项，茂名市河东水厂多年来始终把节能降耗工作放在首位，并把耗电大户供水泵房作为重点来抓，根据我厂的工艺流程，工程技术人员不段的采用新技术进行积极的探索。在所有的供水泵房系统操作中，管网压力是由水泵通过电动机的拖动产生的。

　　根据流量Q与流量阻力h按阻力定律变化，

　　即：h=R×Q2（1）

　　水泵的功率N与水泵的扬程和流量成正比，

　　即：N=H×Q×r/102（千瓦）（2）

　　式中：r-水的重度（公斤/立方米）H-水泵的扬程（米）

　　Q-水泵的流量（立方米/时）

　　从（2）水泵的H—Q曲线与（1）管网的阻力曲线相交，得出特性曲线图2可见，若水泵额定转速为n1，当出口阀门全开时，管道阻力为R1，这时的流量为Q1、扬程为H1，水泵的工作在K1点效率最高，此时水泵功率N是Q1和H1的乘积与矩形H1-K1-Q1-O的面积成正比，如：当关小了

　　水泵出口阀门的开度，而当流量减少为Q2时（如效率50%），系统由原来的

　　工况点K1变到新的工况点K2，这时管道的阻力增加为R2，扬程H1升高到H2，原矩形面积变为矩形H2-K2-Q2-O面积，两个矩形的面积相差不大，说明通过调整阀门开度来改变流量，水泵的功耗变化不大。换句话说，通过开关阀门进行节流调节，并不能使功耗有效地减少。

　　那么，在供水系统中，通过什么途径能达到节能目的呢？我们知道，通常供水系统运行中，随着用水量的变化，相应有供水量的变化，从流量Q1减少到Q2，我们只需采用变频调速器改变交流电的频率，电动机的转速就按比例变动，电动机的转速n与电源频率f的关系如下式所示：

　　n=60×f×（1-S）/P

　　式中：P-极对数；S-转差数。

　　从n1变为n2，流量由Q1减少到Q2时，管网阻力特性曲线R1维持不变，水泵由工况点K1变到新的工况点K3点，扬程H1大幅度下降H3，矩形H1-K1-Q1-O面积减少为矩形H3-K3-Q3-O的面积，两个矩形面积相差许多，节省的功率损耗N与面积H3-K3-Q3-O成正比，水泵轴功率与其转速的三次方成正比，即P2=P1（n1/n2）3，水泵功率N显著下降。ACS600变频器DTC提供精确的转矩控制，当电动机的转速下降时，DTC控制电机转矩平稳的降低，电流明显降低，其功耗大幅度减少。所以，在供水系统中采用变频调速，可以在流量变化运行时，节约电能，多年来的运行，我们研究发现在流量变化较大时，其节能效果十分可观。从水泵的特性曲线可以得知，改变水泵转数n可以有效的改变水泵的功耗。有一种液力偶合调速器也可以有效的调节水泵的转数，其过程控制原理为液力偶合调速器通过调节偶合介质来改变输出速度，当水泵由n1转为n2得知水泵的功耗大幅降低，但电机的转数n1并没有变，电机同样是在额定功率运转，虽然实现了自动恒压供水，但节能效果并没有明显体现出来。

 

3、变频恒压自动供水设备技术性能

　　PLC控制变频调速实现全自动恒压供水是调节供水的一项新技术，已经在供水行业中得到了广泛的应用，茂名市河东水厂全自动恒压供水系统，运行六年来，技术性能稳定，效果较好，其中：

　　1）设备的利用率均衡，茂名市河东水厂供水泵房，在运行过程中定速泵的启动是通过计算机检测运行时间进行启动，这样就避免了设备利用不均衡的现象。

　　2）保护功能完善，当水泵、控制系统、变频器发生故障时，在上位机都会发出声光报警信号，并记录、打印。

　　3）当个别定速泵发生故障不能起动时，系统也不会停止供水，在系统发出报警的同时，会按时间选择起动另一台定速泵，保证供水。

　　4）控制系统可靠，在上位机采用两种控制方式：一种是PLC控制，即按编程控制，二种是VDU控制，就是在计算机上进行手动调节。

　　5）有完善的管网保护系统，PLC通过模拟量输入信号检测的方法检测出实际压力值，然后根据所设定压力上/下限值进行管网超压/欠压的故障判断，并完成相应的系统故障报警。而且，当主管线爆裂，泵机出口压力突然降低至3bar时，系统会停止供水。这就有利于实现对管网系统的良好保护，进一步提高供水系统设备使用寿命。

　　6）系统的缺点是，系统选择一台变频泵，定速泵的流量、扬程相同，在压力设置不当时，会产生控制盲区。即：系统供水压力达不到设定压力，起动一台定速泵又压力偏高，从而造成定速泵频繁起动。

 

4、小结

　　1）PLC自动控制供水设备是在继电器控制供水设备的基础上，利用PLC取代通用继电器、定时器控制的最新技术，可编程控制器的特点是功能强、操作灵活、使用方便、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、能耗低，适合在工业环境下应用。

　　2）目前变频调速器已成为恒压供水设备的主体，它不仅可以完全取代传统的高位水箱、水塔等供水方式，而且也消除水质的二次污染，更具有节省能源、自动化程度高、供水操作方便、提高经济效益等优点。

　　3）变频器在供水上的应用，能够减少管网压力的波动，使管网压力趋于平稳，PLC参与控制，使全自动恒压供水系统更加智能化，更加完善，可靠性高，稳定性好，响应快，从而降低员工的劳动强度。茂名市自来水公司河东水厂全自动恒压供水系统的应用，不仅产生巨大的经济效益，也促进了企业的技术进步。