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基于電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)

電子設(shè)計(jì) ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-10-09 08:05 ? 次閱讀
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1 、引言

汕頭市澄海區(qū)第一水廠送水泵房共有六臺(tái)送水機(jī)泵,包括55kW、75kW、110kW三種不同功率的機(jī)泵各兩臺(tái)。由于用戶用水量具有一定的隨機(jī)性,如果只靠啟動(dòng)和停止機(jī)泵來保持供水壓力,這樣很難滿足隨時(shí)變化的供水要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,在水廠的生產(chǎn)成本中,送水機(jī)泵運(yùn)行用電成本占了很大的比例。為降低電耗,保證供水質(zhì)量,受用戶委托對(duì)送水泵房水泵機(jī)組實(shí)施全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制。全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)主要采用變頻調(diào)速技術(shù),它具有恒定水壓,降低能耗等顯著優(yōu)點(diǎn),是一項(xiàng)集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高效節(jié)能技術(shù)。

2 、系統(tǒng)介紹

全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)主要由一套可編程控制器PLC和一臺(tái)變頻器組成。PLC對(duì)管道壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,并與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)壓力偏差值由PID閉環(huán)控制算法得出一調(diào)節(jié)參量,控制變頻器輸出頻率從而控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,以及根據(jù)壓力差值的大小等條件自動(dòng)選定工作機(jī)泵的類型和數(shù)量,使管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力一致。

根據(jù)工藝要求,為達(dá)到既降低電耗,又避免頻繁啟停機(jī)泵,選擇110kW的機(jī)泵與變頻器組成調(diào)速泵,其余機(jī)泵作為定速泵。在一臺(tái)變頻器下的兩臺(tái)110kW的機(jī)泵加裝電氣互鎖控制,防止兩水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)兼有手動(dòng)和自動(dòng)操作功能,可根據(jù)不同的需要,選擇不同的工作方式。手動(dòng)時(shí),頻率輸出由變頻器的操作器設(shè)置,自動(dòng)時(shí),頻率輸出由PLC根據(jù)管道壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3、 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)自動(dòng)控制水泵轉(zhuǎn)速

實(shí)時(shí)讀入管網(wǎng)壓力值,與設(shè)定值比較,由PID控制算法得出一調(diào)節(jié)參量,控制變頻器輸出頻率,從而控制調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

(2)自動(dòng)運(yùn)行泵的類型和臺(tái)數(shù)

當(dāng)用水量較少時(shí),調(diào)速泵調(diào)頻變速工作,保持干管水壓恒定。當(dāng)用水量超過調(diào)速泵的工頻流量,水壓降低時(shí),變頻器先把頻率降低到70%,控制調(diào)速泵運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)PLC增開定速泵,泵的類型和數(shù)量可以根據(jù)當(dāng)前的壓力差和用水量的歷史曲線決定,增開定速泵后,調(diào)速泵的運(yùn)行頻率則根據(jù)壓力差進(jìn)行調(diào)整,使干管壓力接近設(shè)定值。如當(dāng)用水量減少時(shí),變頻器降低調(diào)速泵的運(yùn)行頻率,當(dāng)頻率降低到40%時(shí),相應(yīng)地關(guān)閉定速泵,然后調(diào)整調(diào)速泵的頻率,使干管壓力接近設(shè)定值;停泵時(shí),根據(jù)當(dāng)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(shù)量。當(dāng)水壓達(dá)不到要求,系統(tǒng)在開停泵時(shí)都應(yīng)采取延時(shí)處理,避免出現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)頻繁切換機(jī)泵的情況。

(3)最大限度利用原有設(shè)備,減低投資成本。

4 、變頻調(diào)壓的節(jié)能原理

為適應(yīng)用戶用水量的變化,調(diào)節(jié)出水流量,現(xiàn)通常采用兩種方法來完成流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。一種是利用控制閥或節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流,以改變出水流量;另一種是泵的調(diào)速控制,調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來改變出水流量。圖l為水泵調(diào)速時(shí)的全揚(yáng)程特性(H—Q)曲線。

基于電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)

用閥門控制時(shí),當(dāng)流量要求從Q0減小到Q1,必須降低閥門開度。這時(shí)閥門的磨擦阻力變大,阻力曲線從R移到R’,揚(yáng)程則從H0上升到Hl,運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。

用調(diào)速控制時(shí),當(dāng)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(zhuǎn)速。如果把速度從N100降到N80,運(yùn)行工況點(diǎn)則從A點(diǎn)移到C點(diǎn),揚(yáng)程從H0下降到H2。

根據(jù)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(diǎn)的水壓或流量(m3/s);H——使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程(m);r——輸出介質(zhì)單位體積重量(kg/m3);η——使用工況點(diǎn)的泵效率(%)可得出運(yùn)行在B點(diǎn)泵的軸功率和C點(diǎn)泵的軸功率分別為:

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由(4)式看出,用閥門控制流量時(shí),有△P功率被損耗浪費(fèi)掉了,且隨著閥門不斷關(guān)小,這個(gè)損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制流量時(shí),根據(jù)流量Q、揚(yáng)程H、功率P和轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系,有:

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由(5)式可知,流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比;揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比;軸功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比,即功率與轉(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。如果不是用降低閥門開度的方法,而是把電機(jī)轉(zhuǎn)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(qū)域大小的節(jié)能效果。本全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)選擇的調(diào)速泵的功率為P=llOkW,額定轉(zhuǎn)速為n=1450r/m,從表l可以觀察所需功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

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據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,泵大部分工作時(shí)間是運(yùn)行在60%到80%的負(fù)載工作點(diǎn)上。由上表可以看出,60%和80%的負(fù)載工作點(diǎn)上所需的功率相當(dāng)于以額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)功率的51.2%和21.6%。所以采用變頻調(diào)速控制泵的流量,理論上可以節(jié)約40%的電耗。

5 、投資效果

汕頭市澄海區(qū)第一水廠送水泵房安裝實(shí)施了全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)后,投資效果非常明顯。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)節(jié)能效果非常顯著,而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定,可產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)用戶統(tǒng)計(jì),月平均節(jié)約電能30000kWh,按工業(yè)電價(jià)0.67元/kWh計(jì),每月可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益2萬余元,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)延長(zhǎng)設(shè)備壽命,降低維修費(fèi)用。由于電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速普遍下降,運(yùn)行狀況明顯改善。變頻器啟動(dòng)和調(diào)速平穩(wěn),這減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。同時(shí)叵壓供水對(duì)管網(wǎng)不會(huì)造成經(jīng)常性的強(qiáng)烈沖擊,對(duì)管網(wǎng)起了很好的保護(hù)作用。這些都對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,降低設(shè)備的維修費(fèi)用有積極的意義。

(3)改善工作環(huán)境,降低設(shè)備故障的可能性。采用變頻調(diào)速技術(shù)后,由于水泵出口閥全開,消除了閥門因節(jié)流而產(chǎn)生的噪音,改善了工人的工作環(huán)境。同時(shí),克服了平常因調(diào)節(jié)閥故障對(duì)生產(chǎn)帶來的影響,具有顯著的社會(huì)效益。

(4)提高設(shè)備工作穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,參數(shù)超調(diào)波動(dòng)范圍小,偏差能及時(shí)進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動(dòng)調(diào)節(jié),控制精度高,能保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定,提高了供水的質(zhì)量和產(chǎn)量。而且變頻調(diào)速器具有十分靈敏的故障檢測(cè)、診斷、數(shù)字顯示功能,提高了電機(jī)水泵運(yùn)行的可靠性。

6 、結(jié)語

汕頭市澄海區(qū)第一水廠全自動(dòng)變頻調(diào)壓PLC控制系統(tǒng)投入運(yùn)行4年來,用戶的使用經(jīng)驗(yàn)表明,系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行工藝安全可靠、改善操作人員操作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節(jié)約能源的今天,推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置,對(duì)于提高水廠生產(chǎn)率、降低能耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。


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