隨著國民經濟的快速發展,“節能、環保”等已成為各行業研究的重要內容.水泵電機作為以“電能”為能源,以輸出力矩驅動水資源的分配、調度的動力載體,在現代工業、農業等各行業中發揮著非常重要的作用.但由于常規的“閥門靜態”調節方式下,水泵電機始終工作在額定工況下,不僅能源消耗較高、能源損耗較嚴重,且電機長期屬于大電流運行狀態,發熱量長期積累,降低了電機的絕緣性能,影響其綜合使用壽命.在現代“節能、環保”的工業、農業發展背景下,如何充分結合現有的計算機技術、現代電子技術和集成控制技術,提高供水管網的供水控制安全性、可靠性和節能經濟性,已成為工程師探討的重要內容.PLC+變頻器的變頻節能調速控制技術,充分結合了PLC集控控制功能和變頻器的動態變頻調節功能,能夠動態采集供水管網的實時波動壓力數據對水泵電機進行動態調控,自動化供水調節水平較高且節能效果也十分明顯,非常具有工程實踐應用研究意義.

由于使用一般繼電器的水泵電機會對電和水能產生的浪費、且工作效能不穩定、系統兼容性較差等問題,通過變頻器的調速達到節能減耗調控性能的效果,開發出一種通過PLC與變頻器相組合的變頻調速節能調控的水泵電機控制系統.實踐應用效果表明：利用變頻器和PLC相組合,可以根據管網供水的實時波動壓力數據,利用變頻器的PID頻率單元調節電機實時電源頻率及輸出力矩,來達到對供水管網給水量的動態調節,具有良好的節能降耗和智能調控性能.

一、供水系統通過變頻調速控制節能的原理     

 PLC+變頻器的變頻調速控制系統,在水泵電機控制應用中取得了非常好的調控和節能效果,其主要利用供水管網輸出口的壓力傳感器(信號器),實時采集供水管網的運行壓力,并經控制回路將信號傳輸到變頻器中,經DSP單元運算分析后與系統預設定的壓力信號進行“偏差對比”,一旦發現存在壓力偏差時,就會自動調節水泵電機的輸入端電源頻率,增大或減小水泵的輸出力矩,使整個供水管道中的水壓始終保持預設壓力值或處于較小波動范圍,其主要控制流程為：管網供水實時壓力信號(s)→變頻器DSP運算(與預設壓力值進行比差計算)→形成壓力偏差(ΔP)→水泵電機電源頻率調節(f)→水泵輸出力矩調節(轉速)(v)→供水管網流量調節(ΔQ)的實時動態循環調節,最終實現供水管網壓力始終保持在節能運行工況,達到節能動態調控目的.

二、基于可編程控制器件與變頻器的恒壓供水系統整體方案

在供水管網壓力波動時,為了能夠通過PLC+變頻器控制系統內部自動調節實現供需間的動態穩定調節平衡,確保水泵電機始終運行在高效穩定的運行工況區域,就需要利用安裝在供水管網輸入端的水壓傳感器(信號器)實時采集供水管網的實時波動的水壓信號,并經內部閉環反饋網絡將供水管網實時的水壓偏差信號(ΔP)經控制回路傳輸給變頻器和PLC控制器,利用PLC實現控制系統的啟動/關閉,利用變頻器內部DSP

數據處理單元與系統預先設定的壓力信號進行對比,獲得對應的壓力偏差信號的電源頻率值,動態調節水泵電機的輸出力矩完成供水系統的動態平衡調節. SAI670變頻器、PLC、水泵電機、供電電源開關、供水管網水壓傳感器等電氣設備單元共同組成閉環反饋的循環調節系統.為了充分運用所選的電氣設備,降低系統成本,此處采用1臺變頻器同時控制M1和M2兩個水泵電機,實現變頻系統的動態調節,,M1和M2兩個水泵電機按照“明備用”方式進行相互備用,即當“工作水泵M1”存在故障時,“備用水泵M2”自動啟動完成供水,確保供水具有較高的安全性.電路中KH1~KH2為熱繼電器、QF1~QF4為真空開關,通過熱繼電器、真空開關等電氣設備的相互組合,可以在電機存在故障或事故時動作保護.

當要啟動水泵電機向供水管網供水時,運行人員只需通過控制面板上的“啟動”按鈕,啟動PLC控制系統,然后經信號回路動態采集供水管網輸入端的水壓傳感器(信號器)信號,并經A/D(模/數)轉換單元獲得變頻器可以識別的4~20MA數字信號,然后將所獲得的水壓信號與系統預設定的“目標壓力”信號進行PID調節運行分析,形成對應的壓力偏差電源頻率信號,輸出作用在電機電源轉換為力矩變化完成水量的動態調節,實現恒壓節能供水.

為了提高控制系統調控的靈活性和可靠性,當供水管網的供水壓力長期處于穩定狀態時,PLC控制器會自動調節“工作水泵M1”的運行工況,將其從“變頻調速控制”切換到“工頻運行工況”,讓其處于工頻狀態下運行.如果工作水泵切換到工頻運行工況下,依然不能滿足供水管網供水壓力需求時,則系統按照預設定的控制流程,自動啟動“備用水泵M2”,通過兩個水泵的相互備用和運行工況的切換,提高供水管網的供水安全可靠性.另外,為了確保控制系統具有較高的安全可靠性,充分利用PLC和變頻器設備的自檢功能,自動運算分析控制系統內部功能單元是否存在安全隱患或故障,如果存在則及時通過聲、光等信號形式提供運行人員及時查看相關單元,合理采取有效的處理措施快速排除故障.另外,工作人員還需要按照相關的檢修維護計劃,及時查看控制系統各功能單元的實時運行工況狀態,如果存在安全隱患或故障,應及時處理,確保供水具有較高的安全可靠性和優質服務水平.

三、供水系統恒壓節能改造使用效果分析

某抽水泵站裝有兩臺功率為185 kW的水泵,為了保障供水系統安全穩定、節能經濟的運行,兩臺水泵采用明備用(即采用1用1備)的運行模式.歷史運行記錄數據表明,供水系統的兩臺水泵在功率選擇過程時按照最大供水量要求進行水泵參數選擇,而在實際運行過程中,由于供水系統絕大部分時間處于65%運行工況,也就是供水系統中的實際供水水量平時要遠遠大于供水系統自身需要的消耗量,這樣勢必會造成大量的電能和水能資源浪費.同時,水泵電機長期處于額定運行工況,發熱量增加造成電機絕緣性能不斷下降而影響使用壽命.

按照變頻調速原理,結合供水系統實際情況可得電機的理想轉速為510 r/min,功率在98 kW.若按照電機常年運行300天進行計算,設備每天運行工作16小時進行損耗分析.則對該抽水泵站185 kW水泵電機采取PLC與變頻器進行節能升級改造后,其可以獲得的理論節電率為：

(185 kW-101 kW)/185 kW×100%等于45.4%

從上述計算可知,該水泵電機具有45.4%的節能潛力.如按工業電費0.95元/度進行估算,則采用PLC與變頻器對水泵電機進行節能升級改造后,按照80%的有效轉換效率進行計算,其一年理論可以獲得的節約電能成本為：M等于(185 kW-101 kW)×300×16×80%等于32.25(萬元)

也就是說通過PLC與變頻器的變頻節能調速升級改造后,水泵電機每年可以節省的理論經濟論文范文大約為32.25萬元,大大降低了水泵的運行維護論文范文.另外,采用PLC+變頻器的節能改造后,水泵電機在啟動過程中,會受到變頻器自身的變頻保護,啟動電流大幅度降低,確保水泵電機具有較高的絕緣性能,保證供水系統具有較高的安全可靠、節能經濟的運行特性.

利用現有的計算機技術與電子技術和集成控制技術等技術,合理使用PLC和變頻器等控制單元,結合變頻調節節能控制系統,可以利用變頻器內部DSP運算系統和PID調節計算,獲得數據實時動態調節頻率偏差信號,并作用在電機輸出電源力矩上,保證供水系統輸入與輸出能量的動態平衡,具有較高的節能效果.本文采用PLC+變頻器對某抽水泵站185 kW水泵電機進行節能升級改造,其獲得理論節電率高達45.4%,每年可以節約電能成本32.25萬元,其環保節能節省成本非常顯著。