隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,“節(jié)能、環(huán)?！钡纫殉蔀楦餍袠I(yè)研究的重要內(nèi)容.水泵電機作為以“電能”為能源,以輸出力矩驅(qū)動水資源的分配、調(diào)度的動力載體,在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各行業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用.但由于常規(guī)的“閥門靜態(tài)”調(diào)節(jié)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(yán)重,且電機長期屬于大電流運行狀態(tài),發(fā)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(xiàn)代“節(jié)能、環(huán)?！钡墓I(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展背景下,如何充分結(jié)合現(xiàn)有的計算機技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)和集成控制技術(shù),提高供水管網(wǎng)的供水控制安全性、可靠性和節(jié)能經(jīng)濟性,已成為工程師探討的重要內(nèi)容.PLC+變頻節(jié)能調(diào)速控制技術(shù),充分結(jié)合了PLC集控控制功能和動態(tài)變頻調(diào)節(jié)功能,能夠動態(tài)采集供水管網(wǎng)的實時波動壓力數(shù)據(jù)對水泵電機進行動態(tài)調(diào)控,自動化供水調(diào)節(jié)水平較高且節(jié)能效果也十分明顯,非常具有工程實踐應(yīng)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(chǎn)生的浪費、且工作效能不穩(wěn)定、系統(tǒng)兼容性較差等問題,通過調(diào)速達到節(jié)能減耗調(diào)控性能的效果,開發(fā)出一種通過PLC與變頻器相組合的變頻調(diào)速節(jié)能調(diào)控的水泵電機控制系統(tǒng).實踐應(yīng)用效果表明：利用變頻器和PLC相組合,可以根據(jù)管網(wǎng)供水的實時波動壓力數(shù)據(jù),利用PID頻率單元調(diào)節(jié)電機實時電源頻率及輸出力矩,來達到對供水管網(wǎng)給水量的動態(tài)調(diào)節(jié),具有良好的節(jié)能降耗和智能調(diào)控性能.
一、供水系統(tǒng)通過變頻調(diào)速控制節(jié)能的原理 PLC+變頻調(diào)速控制系統(tǒng),在水泵電機控制應(yīng)用中取得了非常好的調(diào)控和節(jié)能效果,其主要利用供水管網(wǎng)輸出口的壓力傳感器(信號器),實時采集供水管網(wǎng)的運行壓力,并經(jīng)控制回路將信號傳輸?shù)阶冾l器中,經(jīng)DSP單元運算分析后與系統(tǒng)預(yù)設(shè)定的壓力信號進行“偏差對比”,一旦發(fā)現(xiàn)存在壓力偏差時,就會自動調(diào)節(jié)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(yù)設(shè)壓力值或處于較小波動范圍,其主要控制流程為：管網(wǎng)供水實時壓力信號(s)→變頻器DSP運算(與預(yù)設(shè)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(diào)節(jié)(f)→水泵輸出力矩調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)速)(v)→供水管網(wǎng)流量調(diào)節(jié)(ΔQ)的實時動態(tài)循環(huán)調(diào)節(jié),最終實現(xiàn)供水管網(wǎng)壓力始終保持在節(jié)能運行工況,達到節(jié)能動態(tài)調(diào)控目的.
二、基于可編程控制器件與恒壓供水系統(tǒng)整體方案
在供水管網(wǎng)壓力波動時,為了能夠通過PLC+變頻器控制系統(tǒng)內(nèi)部自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)供需間的動態(tài)穩(wěn)定調(diào)節(jié)平衡,確保水泵電機始終運行在高效穩(wěn)定的運行工況區(qū)域,就需要利用安裝在供水管網(wǎng)輸入端的水壓傳感器(信號器)實時采集供水管網(wǎng)的實時波動的水壓信號,并經(jīng)內(nèi)部閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)將供水管網(wǎng)實時的水壓偏差信號(ΔP)經(jīng)控制回路傳輸給變頻器和PLC控制器,利用PLC實現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動/關(guān)閉,利用變頻器內(nèi)部DSP
數(shù)據(jù)處理單元與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的壓力信號進行對比,獲得對應(yīng)的壓力偏差信號的電源頻率值,動態(tài)調(diào)節(jié)水泵電機的輸出力矩完成供水系統(tǒng)的動態(tài)平衡調(diào)節(jié). SAI670變頻器、PLC、水泵電機、供電電源開關(guān)、供水管網(wǎng)水壓傳感器等電氣設(shè)備單元共同組成閉環(huán)反饋的循環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng).為了充分運用所選的電氣設(shè)備,降低系統(tǒng)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(xiàn)變頻系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié),,M1和M2兩個水泵電機按照“明備用”方式進行相互備用,即當(dāng)“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(guān),通過熱繼電器、真空開關(guān)等電氣設(shè)備的相互組合,可以在電機存在故障或事故時動作保護.
當(dāng)要啟動水泵電機向供水管網(wǎng)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(tǒng),然后經(jīng)信號回路動態(tài)采集供水管網(wǎng)輸入端的水壓傳感器(信號器)信號,并經(jīng)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換單元獲得變頻器可以識別的4~20MA數(shù)字信號,然后將所獲得的水壓信號與系統(tǒng)預(yù)設(shè)定的“目標(biāo)壓力”信號進行PID調(diào)節(jié)運行分析,形成對應(yīng)的壓力偏差電源頻率信號,輸出作用在電機電源轉(zhuǎn)換為力矩變化完成水量的動態(tài)調(diào)節(jié),實現(xiàn)恒壓節(jié)能供水.
為了提高控制系統(tǒng)調(diào)控的靈活性和可靠性,當(dāng)供水管網(wǎng)的供水壓力長期處于穩(wěn)定狀態(tài)時,PLC控制器會自動調(diào)節(jié)“工作水泵M1”的運行工況,將其從“變頻調(diào)速控制”切換到“工頻運行工況”,讓其處于工頻狀態(tài)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(wǎng)供水壓力需求時,則系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)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(wǎng)的供水安全可靠性.另外,為了確保控制系統(tǒng)具有較高的安全可靠性,充分利用PLC和變頻器設(shè)備的自檢功能,自動運算分析控制系統(tǒng)內(nèi)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(guān)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(guān)的檢修維護計劃,及時查看控制系統(tǒng)各功能單元的實時運行工況狀態(tài),如果存在安全隱患或故障,應(yīng)及時處理,確保供水具有較高的安全可靠性和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平.
三、供水系統(tǒng)恒壓節(jié)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(tǒng)安全穩(wěn)定、節(jié)能經(jīng)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(shù)據(jù)表明,供水系統(tǒng)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(shù)選擇,而在實際運行過程中,由于供水系統(tǒng)絕大部分時間處于65%運行工況,也就是供水系統(tǒng)中的實際供水水量平時要遠遠大于供水系統(tǒng)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(fā)熱量增加造成電機絕緣性能不斷下降而影響使用
按照變頻調(diào)速原理,結(jié)合供水系統(tǒng)實際情況可得電機的理想轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)能升級改造后,其可以獲得的理論節(jié)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(jié)能潛力.如按工業(yè)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(jié)能升級改造后,按照80%的有效轉(zhuǎn)換效率進行計算,其一年理論可以獲得的節(jié)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與變頻節(jié)能調(diào)速升級改造后,水泵電機每年可以節(jié)省的理論經(jīng)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+節(jié)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(tǒng)具有較高的安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟的運行特性.
利用現(xiàn)有的計算機技術(shù)與電子技術(shù)和集成控制技術(shù)等技術(shù),合理使用PLC和變頻器等控制單元,結(jié)合變頻調(diào)節(jié)節(jié)能控制系統(tǒng),可以利用變頻器內(nèi)部DSP運算系統(tǒng)和PID調(diào)節(jié)計算,獲得數(shù)據(jù)實時動態(tài)調(diào)節(jié)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(tǒng)輸入與輸出能量的動態(tài)平衡,具有較高的節(jié)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(jié)能升級改造,其獲得理論節(jié)電率高達45.4%,每年可以節(jié)約電能成本32.25萬元,其環(huán)保節(jié)能節(jié)省成本非常顯著。
