硅谷雜志:全自動恒壓供水用PLC控制變頻器實現(xiàn)
硅谷雜志:全自動恒壓供水用PLC控制變頻器實現(xiàn)
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,、全自動恒壓供水設(shè)備的構(gòu)成及基本工作原理
1.1全自動恒壓供水設(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全自動恒壓供水工作原理：
該全自動恒壓供水系統(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)換傳送到計算機內(nèi)，PLC之間采用光纜通訊,，在計算機上可畫出各種參數(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,，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動,，電動機的轉(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)電動機的轉(zhuǎn)速下降時,，DTC控制電機轉(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,，但電機的轉(zhuǎn)數(shù)n1并沒有變,，電機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)|水廠全自動恒壓供水系統(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,、操作靈活、使用方便,、抗干擾能力強,、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,。
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