硅谷雜志:全自動(dòng)恒壓供水用PLC控制變頻器實(shí)現
硅谷雜志:全自動(dòng)恒壓供水用PLC控制變頻器實(shí)現
據《硅谷》雜志2012年第21期刊文稱(chēng)，PLC自動(dòng)控制供水設備是在繼電器控制供水設備的基礎上，利用PLC取代通用繼電器、定時(shí)器控制的最新技術(shù)。而變頻調速器目前也因其比傳統的高位水箱、水塔等供水方式，有諸多優(yōu)勢。而成為恒壓供水設備的主體。茂名市自來(lái)水公司河東水廠(chǎng)利用PLC控制變頻器實(shí)現自動(dòng)恒壓供水安全運行六年，效果良好。
茂名市自來(lái)水公司河東水廠(chǎng)供水泵房95年投入生產(chǎn)，日處理水量20萬(wàn)t/d，現階段，采用的控制系統就是可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）控制變頻調速技術(shù)，投入生產(chǎn)以來(lái)運行狀況良好，收到良好的經(jīng)濟效益。
1、全自動(dòng)恒壓供水設備的構成及基本工作原理
1.1全自動(dòng)恒壓供水設備的構成
河東水廠(chǎng)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，和現場(chǎng)的六臺（10KV450KW）水泵機組、出廠(chǎng)壓力傳感器一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)自動(dòng)控制系統。變頻器采用ABB公司生產(chǎn)的ACS600型變頻器，帶有DTC直接轉矩控制，靜態(tài)速度控制精度為標稱(chēng)速度的0.1%到0.5%，它還具有多種保護功能，控制盤(pán)上可以同時(shí)顯示4行功能信息，每行20個(gè)字符，有四種快速編程語(yǔ)言可供選擇，ACS600內部建立的應用宏意味著(zhù)你只需按鍵就可以選擇相應的宏，帶有文字顯示的控制盤(pán)使你不必查書(shū)中的代碼就可進(jìn)行快速編程，所有的參數被分成邏輯組，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構，這樣的好處是配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修。
1.2全自動(dòng)恒壓供水工作原理：
該全自動(dòng)恒壓供水系統的工作原理，如圖1所示，在出廠(chǎng)管上安裝一壓力。
傳感器，出廠(chǎng)水壓通過(guò)變送器輸出4~20mA信號，此信號由PLC采樣并與壓力設定信號比較，求出其偏差。PLC控制程序根據偏差的大小再經(jīng)PID運算，最后通過(guò)模擬輸出口，輸出一個(gè)控制電流4~20mA信號，此控制信號改變了變頻調速器的輸出頻率，從而改變了水泵電機的轉速。減少壓力偏差E=PS（設定值）—PC（出廠(chǎng)壓力），當壓力偏差E為正值并持續時(shí)間T>6秒，同時(shí)變頻調速器的輸出頻率FC=50HZ持續時(shí)間T>5秒時(shí)，PLC進(jìn)行檢測定速泵的運行時(shí)間，按時(shí)間少的順序啟動(dòng)定速泵，相反E為負值持續時(shí)間T>6秒、FC達到最低設定值持續時(shí)間T>5秒時(shí)，按運行時(shí)間多的順序停止定速泵運行，經(jīng)反復調節最終使管網(wǎng)出口壓力與設定值保持一致，壓力偏差E=0，實(shí)現了恒壓變量自動(dòng)供水。
另外，可以通過(guò)中控室計算機對泵房的工作情況進(jìn)行監控，把配套恒壓供水設備的壓力信號、水廠(chǎng)供水的流量信號和水泵工作的電流、電壓、功率信號，通過(guò)數據轉換傳送到計算機內，PLC之間采用光纜通訊，在計算機上可畫(huà)出各種參數的控制曲線(xiàn)和數據統計報表，并將當前數據存儲起來(lái)，留作打印或以后查詢(xún)之用，從而也提高了水廠(chǎng)的自動(dòng)化管理水平。
2、PLC控制變頻恒壓自動(dòng)供水設備節電效果分析
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，茂名市河東水廠(chǎng)多年來(lái)始終把節能降耗工作放在首位，并把耗電大戶(hù)供水泵房作為重點(diǎn)來(lái)抓，根據我廠(chǎng)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操作中，管網(wǎng)壓力是由水泵通過(guò)電動(dòng)機的拖動(dòng)產(chǎn)生的。
根據流量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(shí)）
從（2）水泵的H—Q曲線(xiàn)與（1）管網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)相交，得出特性曲線(xiàn)圖2可見(jiàn)，若水泵額定轉速為n1，當出口閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，管道阻力為R1，這時(shí)的流量為Q1、揚程為H1，水泵的工作在K1點(diǎn)效率最高，此時(shí)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：當關(guān)小了
水泵出口閥門(mén)的開(kāi)度，而當流量減少為Q2時(shí)（如效率50%），系統由原來(lái)的
工況點(diǎn)K1變到新的工況點(diǎn)K2，這時(shí)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(gè)矩形的面積相差不大，說(shuō)明通過(guò)調整閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變流量，水泵的功耗變化不大。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)開(kāi)關(guān)閥門(mén)進(jìn)行節流調節，并不能使功耗有效地減少。
那么，在供水系統中，通過(guò)什么途徑能達到節能目的呢？我們知道，通常供水系統運行中，隨著(zhù)用水量的變化，相應有供水量的變化，從流量Q1減少到Q2，我們只需采用變頻調速器改變交流電的頻率，電動(dòng)機的轉速就按比例變動(dòng)，電動(dòng)機的轉速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；S-轉差數。
從n1變?yōu)閚2，流量由Q1減少到Q2時(shí)，管網(wǎng)阻力特性曲線(xiàn)R1維持不變，水泵由工況點(diǎn)K1變到新的工況點(diǎn)K3點(diǎn)，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(gè)矩形面積相差許多，節省的功率損耗N與面積H3-K3-Q3-O成正比，水泵軸功率與其轉速的三次方成正比，即P2=P1（n1/n2）3，水泵功率N顯著(zhù)下降。ACS600變頻器DTC提供精確的轉矩控制，當電動(dòng)機的轉速下降時(shí)，DTC控制電機轉矩平穩的降低，電流明顯降低，其功耗大幅度減少。所以，在供水系統中采用變頻調速，可以在流量變化運行時(shí)，節約電能，多年來(lái)的運行，我們研究發(fā)現在流量變化較大時(shí)，其節能效果十分可觀(guān)。從水泵的特性曲線(xiàn)可以得知，改變水泵轉數n可以有效的改變水泵的功耗。有一種液力偶合調速器也可以有效的調節水泵的轉數，其過(guò)程控制原理為液力偶合調速器通過(guò)調節偶合介質(zhì)來(lái)改變輸出速度，當水泵由n1轉為n2得知水泵的功耗大幅降低，但電機的轉數n1并沒(méi)有變，電機同樣是在額定功率運轉，雖然實(shí)現了自動(dòng)恒壓供水，但節能效果并沒(méi)有明顯體現出來(lái)。3技術(shù)性能
PLC控制變頻調速實(shí)現全自動(dòng)恒壓供水是調節供水的一項新技術(shù)，已經(jīng)在供水行業(yè)中得到了廣泛的應用，茂名市河東水廠(chǎng)全自動(dòng)恒壓供水系統，運行六年來(lái)，技術(shù)性能穩定，效果較好，其中：
1）設備的利用率均衡，茂名市河東水廠(chǎng)供水泵房，在運行過(guò)程中定速泵的啟動(dòng)是通過(guò)計算機檢測運行時(shí)間進(jìn)行啟動(dòng)，這樣就避免了設備利用不均衡的現象。
2）保護功能完善，當水泵、控制系統、變頻器發(fā)生故障時(shí)，在上位機都會(huì )發(fā)出聲光報警信號，并記錄、打印。
3）當個(gè)別定速泵發(fā)生故障不能起動(dòng)時(shí)，系統也不會(huì )停止供水，在系統發(fā)出報警的同時(shí)，會(huì )按時(shí)間選擇起動(dòng)另一臺定速泵，保證供水。
4）控制系統可靠，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(dòng)調節。
5）有完善的管網(wǎng)保護系統，PLC通過(guò)模擬量輸入信號檢測的方法檢測出實(shí)際壓力值，然后根據所設定壓力上/下限值進(jìn)行管網(wǎng)超壓/欠壓的故障判斷，并完成相應的系統故障報警。而且，當主管線(xiàn)爆裂，泵機出口壓力突然降低至3bar時(shí)，系統會(huì )停止供水。這就有利于實(shí)現對管網(wǎng)系統的良好保護，進(jìn)一步提高供水系統設備使用壽命。
6）系統的缺點(diǎn)是，系統選擇一臺變頻泵，定速泵的流量、揚程相同，在壓力設置不當時(shí)，會(huì )產(chǎn)生控制盲區。即：系統供水壓力達不到設定壓力，起動(dòng)一臺定速泵又壓力偏高，從而造成定速泵頻繁起動(dòng)。
4、小結
1）PLC自動(dòng)控制供水設備是在繼電器控制供水設備的基礎上，利用PLC取代通用繼電器、定時(shí)器控制的最新技術(shù)，可編程控制器的特點(diǎn)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)境下應用。
2）目前變頻調速器已成為恒壓供水設備的主體，它不僅可以完全取代傳統的高位水箱、水塔等供水方式，而且也消除水質(zhì)的二次污染，更具有節省能源、自動(dòng)化程度高、供水操作方便、提高經(jīng)濟效益等優(yōu)點(diǎn)。
3）變頻器在供水上的應用，能夠減少管網(wǎng)壓力的波動(dòng)，使管網(wǎng)壓力趨于平穩，PLC參與控制，使全自動(dòng)恒壓供水系統更加智能化，更加完善，可靠性高，穩定性好，響應快，從而降低員工的勞動(dòng)強度。茂名市自來(lái)水公司河東水廠(chǎng)全自動(dòng)恒壓供水系統的應用，不僅產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，也促進(jìn)了企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
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