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硅谷雜志:PLC控制變頻器實現(xiàn)變頻恒壓自動供水設(shè)備高效性能

    據(jù)《硅谷》雜志2012年第21期刊文稱，PLC自動控制供水設(shè)備是在繼電器控制供水設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用PLC取代通用繼電器、定時器控制的最新技術(shù)。而變頻調(diào)速器目前也因其比傳統(tǒng)的高位水箱、水塔等供水方式，有諸多優(yōu)勢。而成為恒壓供水設(shè)備的主體。茂名市自來水公司河?xùn)|水廠利用PLC控制變頻器實現(xiàn)自動恒壓供水安全運行六年，效果良好。

    茂名市自來水公司河?xùn)|水廠供水泵房95年投入生產(chǎn)，日處理水量20萬t/d，現(xiàn)階段，采用的控制系統(tǒng)就是可編程控制器（簡稱PLC）控制變頻調(diào)速技術(shù)，投入生產(chǎn)以來運行狀況良好，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1變頻恒壓自動供水設(shè)備的構(gòu)成及基本工作原理

1.1變頻恒壓自動供水設(shè)備的構(gòu)成

    河?xùn)|水廠供水泵房采用一臺變頻器（660V500KW），控制的變頻電機(jī)是（10KV450KW），一臺可編程控制器及一些輔助電氣控制元件，和現(xiàn)場的六臺（10KV450KW）水泵機(jī)組、出廠壓力傳感器一起組成一個完整的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。變頻器采用ABB公司生產(chǎn)的ACS600型變頻器，帶有DTC直接轉(zhuǎn)矩控制，靜態(tài)速度控制精度為標(biāo)稱速度的0.1%到0.5%，它還具有多種保護(hù)功能，控制盤上可以同時顯示4行功能信息，每行20個字符，有四種快速編程語言可供選擇，ACS600內(nèi)部建立的應(yīng)用宏意味著你只需按鍵就可以選擇相應(yīng)的宏，帶有文字顯示的控制盤使你不必查書中的代碼就可進(jìn)行快速編程，所有的參數(shù)被分成邏輯組，操作方便。PLC用的是THYSSEN公司產(chǎn)品，由于考慮到今后的發(fā)展我們采用的是模臺塊式結(jié)構(gòu)，這樣的好處是配置靈活，裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。

1.2變頻恒壓自動供水設(shè)備工作原理：

    該變頻恒壓自動供水設(shè)備系統(tǒng)的工作原理，如圖1所示，在出廠管上安裝一壓力。

    傳感器，出廠水壓通過變送器輸出4~20mA信號，此信號由PLC采樣并與壓力設(shè)定信號比較，求出其偏差。PLC控制程序根據(jù)偏差的大小再經(jīng)PID運算，最后通過模擬輸出口，輸出一個控制電流4~20mA信號，此控制信號改變了變頻調(diào)速器的輸出頻率，從而改變了水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。減少壓力偏差E=PS（設(shè)定值）—PC（出廠壓力），當(dāng)壓力偏差E為正值并持續(xù)時間T>6秒，同時變頻調(diào)速器的輸出頻率FC=50HZ持續(xù)時間T>5秒時，PLC進(jìn)行檢測定速泵的運行時間，按時間少的順序啟動定速泵，相反E為負(fù)值持續(xù)時間T>6秒、FC達(dá)到最低設(shè)定值持續(xù)時間T>5秒時，按運行時間多的順序停止定速泵運行，經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)最終使管網(wǎng)出口壓力與設(shè)定值保持一致，壓力偏差E=0，實現(xiàn)了恒壓變量自動供水。

    另外，可以通過中控室計算機(jī)對泵房的工作情況進(jìn)行監(jiān)控，把配套恒壓供水設(shè)備的壓力信號、水廠供水的流量信號和水泵工作的電流、電壓、功率信號，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳送到計算機(jī)內(nèi)，PLC之間采用光纜通訊，在計算機(jī)上可畫出各種參數(shù)的控制曲線和數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，并將當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲起來，留作打印或以后查詢之用，從而也提高了水廠的自動化管理水平。

2 PLC控制變頻恒壓自動供水設(shè)備節(jié)電效果分析

    在供水行業(yè)中，電能是在企業(yè)成本管理中最有挖掘潛力的一項，茂名市河?xùn)|水廠多年來始終把節(jié)能降耗工作放在首位，并把耗電大戶供水泵房作為重點來抓，根據(jù)我廠的工藝流程，工程技術(shù)人員不段的采用新技術(shù)進(jìn)行積極的探索。在所有的供水泵房系統(tǒng)操作中，管網(wǎng)壓力是由水泵通過電動機(jī)的拖動產(chǎn)生的。

    根據(jù)流量Q與流量阻力h按阻力定律變化，

    即：h=R×Q2（1）

    水泵的功率N與水泵的揚程和流量成正比，

    即：N=H×Q×r/102（千瓦）（2）

    式中：r-水的重度（公斤/立方米）H-水泵的揚程（米）

    Q-水泵的流量（立方米/時）

    從（2）水泵的H—Q曲線與（1）管網(wǎng)的阻力曲線相交，得出特性曲線圖2可見，若水泵額定轉(zhuǎn)速為n1，當(dāng)出口閥門全開時，管道阻力為R1，這時的流量為Q1、揚程為H1，水泵的工作在K1點效率最高，此時水泵功率N是Q1和H1的乘積與矩形H1-K1-Q1-O的面積成正比，如：當(dāng)關(guān)小了

    水泵出口閥門的開度，而當(dāng)流量減少為Q2時（如效率50%），系統(tǒng)由原來的

    工況點K1變到新的工況點K2，這時管道的阻力增加為R2，揚程H1升高到H2，原矩形面積變?yōu)榫匦蜨2-K2-Q2-O面積，兩個矩形的面積相差不大，說明通過調(diào)整閥門開度來改變流量，水泵的功耗變化不大。換句話說，通過開關(guān)閥門進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，并不能使功耗有效地減少。

    那么，在供水系統(tǒng)中，通過什么途徑能達(dá)到節(jié)能目的呢？我們知道，通常供水系統(tǒng)運行中，隨著用水量的變化，相應(yīng)有供水量的變化，從流量Q1減少到Q2，我們只需采用變頻調(diào)速器改變交流電的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f的關(guān)系如下式所示：

    n=60×f×（1-S）/P

    式中：P-極對數(shù)；S-轉(zhuǎn)差數(shù)。

    從n1變?yōu)閚2，流量由Q1減少到Q2時，管網(wǎng)阻力特性曲線R1維持不變，水泵由工況點K1變到新的工況點K3點，揚程H1大幅度下降H3，矩形H1-K1-Q1-O面積減少為矩形H3-K3-Q3-O的面積，兩個矩形面積相差許多，節(jié)省的功率損耗N與面積H3-K3-Q3-O成正比，水泵軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即P2=P1（n1/n2）3，水泵功率N顯著下降。ACS600變頻器DTC提供精確的轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降時，DTC控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)的降低，電流明顯降低，其功耗大幅度減少。所以，在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速，可以在流量變化運行時，節(jié)約電能，多年來的運行，我們研究發(fā)現(xiàn)在流量變化較大時，其節(jié)能效果十分可觀。從水泵的特性曲線可以得知，改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)n可以有效的改變水泵的功耗。有一種液力偶合調(diào)速器也可以有效的調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)數(shù)，其過程控制原理為液力偶合調(diào)速器通過調(diào)節(jié)偶合介質(zhì)來改變輸出速度，當(dāng)水泵由n1轉(zhuǎn)為n2得知水泵的功耗大幅降低，但電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)n1并沒有變，電機(jī)同樣是在額定功率運轉(zhuǎn)，雖然實現(xiàn)了自動恒壓供水，但節(jié)能效果并沒有明顯體現(xiàn)出來。3技術(shù)性能

    PLC控制變頻調(diào)速實現(xiàn)全自動恒壓供水是調(diào)節(jié)供水的一項新技術(shù)，已經(jīng)在供水行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，茂名市河?xùn)|水廠變頻恒壓自動供水設(shè)備系統(tǒng)，運行六年來，技術(shù)性能穩(wěn)定，效果較好，其中：

    1）設(shè)備的利用率均衡，茂名市河?xùn)|水廠供水泵房，在運行過程中定速泵的啟動是通過計算機(jī)檢測運行時間進(jìn)行啟動，這樣就避免了設(shè)備利用不均衡的現(xiàn)象。

    2）保護(hù)功能完善，當(dāng)水泵、控制系統(tǒng)、變頻器發(fā)生故障時，在上位機(jī)都會發(fā)出聲光報警信號，并記錄、打印。

    3）當(dāng)個別定速泵發(fā)生故障不能起動時，系統(tǒng)也不會停止供水，在系統(tǒng)發(fā)出報警的同時，會按時間選擇起動另一臺定速泵，保證供水。

    4）控制系統(tǒng)可靠，在上位機(jī)采用兩種控制方式：一種是PLC控制，即按編程控制，二種是VDU控制，就是在計算機(jī)上進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。

    5）有完善的管網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)，PLC通過模擬量輸入信號檢測的方法檢測出實際壓力值，然后根據(jù)所設(shè)定壓力上/下限值進(jìn)行管網(wǎng)超壓/欠壓的故障判斷，并完成相應(yīng)的系統(tǒng)故障報警。而且，當(dāng)主管線爆裂，泵機(jī)出口壓力突然降低至3bar時，系統(tǒng)會停止供水。這就有利于實現(xiàn)對管網(wǎng)系統(tǒng)的良好保護(hù)，進(jìn)一步提高供水系統(tǒng)設(shè)備使用壽命。

    6）系統(tǒng)的缺點是，系統(tǒng)選擇一臺變頻泵，定速泵的流量、揚程相同，在壓力設(shè)置不當(dāng)時，會產(chǎn)生控制盲區(qū)。即：系統(tǒng)供水壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，起動一臺定速泵又壓力偏高，從而造成定速泵頻繁起動。

4 小結(jié)

    1）PLC自動控制供水設(shè)備是在繼電器控制供水設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用PLC取代通用繼電器、定時器控制的最新技術(shù)，可編程控制器的特點是功能強(qiáng)、操作靈活、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、能耗低，適合在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用。

    2）目前變頻調(diào)速器已成為恒壓供水設(shè)備的主體，它不僅可以完全取代傳統(tǒng)的高位水箱、水塔等供水方式，而且也消除水質(zhì)的二次污染，更具有節(jié)省能源、自動化程度高、供水操作方便、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點。

    3）變頻器在供水上的應(yīng)用，能夠減少管網(wǎng)壓力的波動，使管網(wǎng)壓力趨于平穩(wěn)，PLC參與控制，使全自動恒壓供水系統(tǒng)更加智能化，更加完善，可靠性高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)快，從而降低員工的勞動強(qiáng)度。茂名市自來水公司河?xùn)|水廠全自動恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也促進(jìn)了企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。