全自動水泵機組PLC控制系統設計總結
1 引言
汕頭市澄海區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。據統計分析，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，降低能耗等顯著優點，是一項集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高效節能技術。
2 全自動變頻調壓PLC控制系統介紹
全自動變頻調壓PLC控制系統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，根據壓力偏差值由PID閉環控制算法得出一調節參量，控制變頻器輸出頻率從而控制水泵電機轉速，以及根據壓力差值的大小等條件自動選定工作機泵的類型和數量，使管網壓力與設定壓力一致。
根據工藝要求，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。
全自動變頻調壓PLC控制系統兼有手動和自動操作功能，可根據不同的需要，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根據管道壓力自動調節。
3 全自動變頻調壓PLC控制系統特點
(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參量，控制變頻器輸出頻率，從而控制調速泵的轉速，實現恒壓供水。
(2)自動運行泵的類型和臺數
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，泵的類型和數量可以根據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量。當水壓達不到要求，系統在開停泵時都應采取延時處理，避免出現在短時間內頻繁切換機泵的情況。
(3)大限度利用原有設備，減低投資成本。
4 全自動變頻調壓PLC控制系統變頻調壓的節能原理
為適應用戶用水量的變化，調節出水流量，現通常采用兩種方法來完成流量的連續調節。一種是利用控制閥或節流閥進行節流，以改變出水流量；另一種是泵的調速控制，調節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區域大小的節能效果。本全自動變頻調壓PLC控制系統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。
據統計分析，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，理論上可以節約40%的電耗。
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5 投資效果
汕頭市澄海區第一水廠送水泵房安裝實施了全自動變頻調壓PLC控制系統后，投資效果非常明顯。主要體現在以下幾個方面：
(1)節能效果非常顯著，而且生產工藝穩定，可產生明顯的經濟效益。
根據用戶統計，月平均節約電能30000kWh，按工業電價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，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，消除了閥門因節流而產生的噪音，改善了工人的工作環境。同時，克服了平常因調節閥故障對生產帶來的影響，具有顯著的社會效益。
(4)提高設備工作穩定性。系統采用閉環控制，參數超調波動范圍小，偏差能及時進行控制。變頻器的加速和減速可根據工藝要求自動調節，控制精度高，能保證生產工藝穩定，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
汕頭市澄海區第一水廠全自動變頻調壓PLC控制系統投入運行4年來，用戶的使用經驗表明，系統具有調速性能好、節能效果顯著、運行工藝安全可靠、改善操作人員操作環境等優點。在大力提倡節約能源的今天，推廣使用這種集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高科技節能裝置，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實意義。