基于PLC與全自動(dòng)變頻調(diào)速給水技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用研究
1、全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)概述
本文的內(nèi)容是結(jié)合PLC和變頻器的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)送水泵房的恒壓供水系統(tǒng)控制；系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的速度，利用PLC的PID的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能控制變頻器，形成以壓力為閉環(huán)的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水，而水組泵的啟動(dòng)和停止可以通過自動(dòng)和手動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，該全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)運(yùn)行可靠，抗干擾性強(qiáng)，且具有較強(qiáng)的節(jié)能性。但在自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)過程中，系統(tǒng)還存在很多技術(shù)問題，結(jié)合一些實(shí)際配置過程與大家一起探討。
2、全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)組成
PLC-變頻器和軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)由1個(gè)PLC控制站、2臺(tái)變頻器、3臺(tái)軟啟動(dòng)器、壓力變送器、綜合保護(hù)器、液位計(jì)及5臺(tái)水泵等組成。5 臺(tái)水泵的流量是12000m3/h，電機(jī)為132kW，兩臺(tái)變頻器控制兩個(gè)水泵，三臺(tái)軟啟動(dòng)器控制另外三臺(tái)水泵。在出水總管上安裝有壓力變送器探測管網(wǎng)的壓力，在清水蓄水池裝有液位計(jì)，檢測水池的液位并將信號(hào)送至PLC。每臺(tái)水泵都配有1臺(tái)的綜合保護(hù)器（安裝在變頻器或軟啟動(dòng)機(jī)柜內(nèi)）。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(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)控制原理
全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC，經(jīng)PLC運(yùn)算與給定的壓力進(jìn)行比較，得出一比較參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水量，使供水管網(wǎng)上的壓力保持在給定的壓力上，當(dāng)用水量超過一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過PLC控制切換器進(jìn)行加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵的數(shù)量增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，充分保證了水泵的及時(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。壓力傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需求的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。當(dāng)供水設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在這一數(shù)值上。而當(dāng)用水量增加，水壓降低時(shí)，傳感器將這一信號(hào)送入可編程控制器，可編程控制器送出一個(gè)用水量增大的模擬信號(hào)，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉(zhuǎn)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(dá)到最大值，仍不能使管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值，可編程序控制器就發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵，其他泵依次類推。反之，當(dāng)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(shí)，管網(wǎng)的壓力仍高于給定的壓力，PLC也自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，在一定的時(shí)間段內(nèi)，如果壓力仍高于給定值，PLC就自動(dòng)停止一臺(tái)工頻泵的，直至壓力降低為止，其他泵依次類推。
4、全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)PLC的配置及PID程序設(shè)計(jì)
根據(jù)用戶需求，對(duì)控制器PLC的硬件配置如下， CPU模塊采用IC200CPUE05，帶2個(gè)串口的CPU，內(nèi)含以太網(wǎng)接口，數(shù)字量輸入（DI）采用IC200MDL640模塊，數(shù)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(xiàn)場實(shí)際中，數(shù)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(tǒng)臨時(shí)擴(kuò)充需要。觸摸屏采用深圳威倫通10.4寸TFT65536色的MT6104T。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用一臺(tái)工程師站和一臺(tái)操作員站。兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)分別采用以太網(wǎng)絡(luò)完成計(jì)算機(jī)與PLC主站之間的數(shù)據(jù)通訊。操作員站的畫面組態(tài)軟件選用GE Cimplicity組態(tài)軟件完成用戶二次軟件的開發(fā)。
全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)PID控制各校正環(huán)節(jié)主要作用如下：
（1）比例環(huán)節(jié)：比例的增大等價(jià)于系統(tǒng)開環(huán)增益的增加，會(huì)引起系統(tǒng)響應(yīng)速度，穩(wěn)態(tài)誤差減少，超調(diào)量增加。當(dāng)比例過大時(shí)，會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。
（2）積分環(huán)節(jié)：相當(dāng)于增加系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)，主要作用是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。積分環(huán)節(jié)作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)積分。微分增大，系統(tǒng)超調(diào)量減小，但響應(yīng)速度變慢。
（3）微分環(huán)節(jié)：主要作用是提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時(shí)減小超調(diào)量。抵消系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的滯后不良作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯改善。微分過大或過小都會(huì)使超調(diào)量增加，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。由于該環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的控制量與信號(hào)變化速率有關(guān)，故對(duì)信號(hào)無明顯變化或變化緩慢的系統(tǒng)微分環(huán)節(jié)不起作用。
GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模塊如下：PLC在本系統(tǒng)中主要通過模擬輸入接口AI0001（SP）設(shè)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(shí)際壓力反饋信號(hào)，將AI0001（SP）與AI0002(PV)相減，產(chǎn)生的誤差（Error），將誤差送到PID功能模塊，通過設(shè)置比例項(xiàng)（Proportion）、積分（Integra）、微分（Derivative）使輸出項(xiàng)AQ0001達(dá)到平穩(wěn)輸出給變頻器，使變頻器輸出產(chǎn)生平滑的頻率給變頻水泵，防止出現(xiàn)大的波動(dòng)使管道的壓力出現(xiàn)大的震蕩。
5、全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)水泵負(fù)荷變頻調(diào)速節(jié)能原理
水泵是將電動(dòng)機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的設(shè)備。過去很少采用轉(zhuǎn)速控制的方法，多是由鼠籠式異步電機(jī)拖動(dòng)進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要改變流量時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥和擋板，這種方法雖然控制簡單，但節(jié)能較差，不經(jīng)濟(jì)，動(dòng)態(tài)跟蹤性能也很差。變頻調(diào)速節(jié)能是相對(duì)于閥門調(diào)節(jié)而言，采用變頻調(diào)速器后，將閥門全開，通過改變電機(jī)電源頻率的方法來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。由流體力學(xué)可知，流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。
由上面的公式可知，調(diào)節(jié)水泵流量時(shí)，可通過轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)水泵軸輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
假定水泵最佳效率工作點(diǎn)是A點(diǎn)，當(dāng)需減少水泵的供水量時(shí)，采用傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)方式，增加系統(tǒng)阻力來滿足要求，使水泵工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)。這種方法不但不能節(jié)能，反而會(huì)加快水泵的效率損耗，同時(shí)低效運(yùn)行會(huì)引起較高的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲及有損設(shè)備。采用變頻調(diào)速技術(shù)后，通過變頻調(diào)速，降低異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)重新達(dá)到平衡，工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn)。從C點(diǎn)可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖然降低了，但對(duì)水泵效率影響不大。根據(jù)上述原理，當(dāng)水泵流量在較大范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，采用變頻調(diào)速對(duì)水泵轉(zhuǎn)速加以控制，將會(huì)取得非常顯著的節(jié)能效果。
6、全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)節(jié)能效果評(píng)估
以沈陽某水廠為例，從系統(tǒng)報(bào)表可以得出系統(tǒng)平均軸功率輸出在50%以下，保守計(jì)算，我們按35%的節(jié)電比率來計(jì)算，系統(tǒng)在一年節(jié)電量為：132kW×35%×24×30×12=399168kWh，按電價(jià)0.69元來計(jì)算，一年節(jié)約電費(fèi)為：399168×0.69=275425元。
水泵通過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)后，改變了原有的操作方式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，能夠有效地調(diào)節(jié)送水生產(chǎn)過程，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，保持水泵高效運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，無沖擊電流，設(shè)備故障率大大降低，維修費(fèi)用大為減少。
全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，在大大節(jié)約電能的基礎(chǔ)上，使長期輕載運(yùn)行的泵工作在低轉(zhuǎn)速、低電壓的狀態(tài)下，這樣就使電機(jī)發(fā)熱少、溫升低，延長了使用壽命。變頻調(diào)速技術(shù)也提高了功率因數(shù)，使電網(wǎng)損耗減少，效率提高，同時(shí)降低了水泵噪音，改善了生產(chǎn)環(huán)境。另外變頻器自我檢測、故障診斷、保護(hù)功能齊全，可有效地防止事故擴(kuò)大化。
7、結(jié)束語
在生活供水系統(tǒng)中目前廣泛地采用了變頻調(diào)速的恒壓供水方法，本套全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)運(yùn)行速度快，控制精度高，結(jié)構(gòu)合理，功能齊全，軟硬件配置可靠性高，具有較高實(shí)用價(jià)值和推廣前景，能夠適應(yīng)工業(yè)鍋爐的控制要求。節(jié)約了資金和人員投入，又提高了水廠供水的自動(dòng)控制水平，消除了事故隱患，此外，全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)還極大的減少了控制系統(tǒng)的維護(hù)工作量及設(shè)備備品，備件的更換量和更換周期，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
