水泵機組全自動變頻調壓PLC控制系統(tǒng)設計運行總結

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，保證供水質量，受用戶委托對送水泵房水泵機組實施全自動變頻調壓PLC控制。全自動變頻調壓PLC控制系統(tǒng)主要采用變頻調速技術，它具有恒定水壓，降低能耗等顯著優(yōu)點，是一項集現(xiàn)代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高效節(jié)能技術。

2 系統(tǒng)介紹
    全自動變頻調壓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對管道壓力進行實時采樣，并與壓力設定值進行比較，根據(jù)壓力偏差值由PID閉環(huán)控制算法得出一調節(jié)參量，控制變頻器輸出頻率從而控制水泵電機轉速，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，使管網壓力與設定壓力一致。
    根據(jù)工藝要求，為達到既降低電耗，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。
    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置，自動時，頻率輸出由PLC根據(jù)管道壓力自動調節(jié)。

3 系統(tǒng)特點
    (1)自動控制水泵轉速
    實時讀入管網壓力值，與設定值比較，由PID控制算法得出一調節(jié)參量，控制變頻器輸出頻率，從而控制調速泵的轉速，實現(xiàn)恒壓供水。
    (2)自動運行泵的類型和臺數(shù)
    當用水量較少時，調速泵調頻變速工作，保持干管水壓恒定。當用水量超過調速泵的工頻流量，水壓降低時，變頻器先把頻率降低到70％，控制調速泵運轉，同時PLC增開定速泵，泵的類型和數(shù)量可以根據(jù)當前的壓力差和用水量的歷史曲線決定，增開定速泵后，調速泵的運行頻率則根據(jù)壓力差進行調整，使干管壓力接近設定值。如當用水量減少時，變頻器降低調速泵的運行頻率，當頻率降低到40%時，相應地關閉定速泵，然后調整調速泵的頻率，使干管壓力接近設定值；停泵時，根據(jù)當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。當水壓達不到要求，系統(tǒng)在開停泵時都應采取延時處理，避免出現(xiàn)在短時間內頻繁切換機泵的情況。
    (3)最大限度利用原有設備，減低投資成本。

4 變頻調壓的節(jié)能原理
    為適應用戶用水量的變化，調節(jié)出水流量，現(xiàn)通常采用兩種方法來完成流量的連續(xù)調節(jié)。一種是利用控制閥或節(jié)流閥進行節(jié)流，以改變出水流量；另一種是泵的調速控制，調節(jié)泵的轉速來改變出水流量。圖l為水泵調速時的全揚程特性(H—Q)曲線。

    用閥門控制時，當流量要求從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。
    用調速控制時，當流量要求從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，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制流量時，根據(jù)流量Q、揚程H、功率P和轉速N之間的關系，有：

   
    由(5)式可知，流量Q與轉速N的一次方成正比；揚程H與轉速N的平方成正比；軸功率P與轉速N的立方成正比，即功率與轉速成3次方的關系下降。如果不是用降低閥門開度的方法，而是把電機轉速降下來，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。本全自動變頻調壓PLC控制系統(tǒng)選擇的調速泵的功率為P=llOkW，額定轉速為n=1450r／m，從表l可以觀察所需功率和轉速的關系。

    據(jù)統(tǒng)計分析，泵大部分工作時間是運行在60%到80%的負載工作點上。由上表可以看出，60％和80％的負載工作點上所需的功率相當于以額定轉速工作時功率的51．2％和21．6％。所以采用變頻調速控制泵的流量，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，而且生產工藝穩(wěn)定，可產生明顯的經濟效益。
    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，每月可以產生直接經濟效益2萬余元，具有明顯的經濟效益。
    (2)延長設備壽命，降低維修費用。由于電機水泵的轉速普遍下降，運行狀況明顯改善。變頻器啟動和調速平穩(wěn)，這減少了對電網的沖擊。同時叵壓供水對管網不會造成經常性的強烈沖擊，對管網起了很好的保護作用。這些都對延長設備的使用壽命，降低設備的維修費用有積極的意義。
    (3)改善工作環(huán)境，降低設備故障的可能性。采用變頻調速技術后，由于水泵出口閥全開，消除了閥門因節(jié)流而產生的噪音，改善了工人的工作環(huán)境。同時，克服了平常因調節(jié)閥故障對生產帶來的影響，具有顯著的社會效益。
    (4)提高設備工作穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調波動范圍小，偏差能及時進行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動調節(jié)，控制精度高，能保證生產工藝穩(wěn)定，提高了供水的質量和產量。而且變頻調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 結語
    汕頭市澄海區(qū)第一水廠全自動變頻調壓PLC控制系統(tǒng)投入運行4年來，用戶的使用經驗表明，系統(tǒng)具有調速性能好、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)代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高水廠生產率、降低能耗、降低生產成本、提高經濟效益具有重大的現(xiàn)實意義。