一拖二恒壓變頻給水泵中PLC與變頻器實際化應用

1 引(yin)言

      變頻調(diao)(diao)速技術是近(jin)十幾年(nian)來(lai)迅速發展起來(lai)的(de)(de)(de)(de)比以往任何(he)調(diao)(diao)速方法(fa)更(geng)加(jia)優(you)(you)越的(de)(de)(de)(de)新技術，因其具有節(jie)(jie)能(neng)(neng)效(xiao)果明顯(xian)、調(diao)(diao)速曲線平(ping)滑(hua)、調(diao)(diao)速過程簡單(dan)、安全(quan)可(ke)靠、保護功(gong)能(neng)(neng)齊全(quan)、起動性(xing)能(neng)(neng)優(you)(you)越、自動化程度高(gao)等特點(dian)而受到越來(lai)越多(duo)的(de)(de)(de)(de)企業的(de)(de)(de)(de)青睞，被(bei)應(ying)(ying)用(yong)到工業生產控制過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)任何(he)場合，顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)節(jie)(jie)能(neng)(neng)效(xiao)果給(gei)眾多(duo)的(de)(de)(de)(de)企業帶(dai)來(lai)了巨(ju)大的(de)(de)(de)(de)經濟效(xiao)益。特別是近(jin)幾年(nian)來(lai)隨著igbt功(gong)率(lv)(lv)元(yuan)件和dsp微處(chu)理(li)系統(tong)在變頻器中(zhong)的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)，變頻器本身已非(fei)常(chang)成熟，使得變頻調(diao)(diao)速技術的(de)(de)(de)(de)優(you)(you)越性(xing)更(geng)加(jia)突(tu)出，傳動效(xiao)率(lv)(lv)越來(lai)越高(gao)，使用(yong)越來(lai)越方便，可(ke)靠性(xing)也得到了進一步的(de)(de)(de)(de)提高(gao)。

現(xian)代工業生產是復雜多樣的，它們對控(kong)制的要求也各不相同。可編程控(kong)制器(plc)由于具有以下特(te)點而深受工廠工程技(ji)術人(ren)員的歡(huan)迎。

(1) 可靠性高(gao)，抗干擾(rao)能力強

      其平均(jun)無故障時間大大超過iec規(gui)定的10萬(wan)小時，同時，有些(xie)plc還采用了冗余設計(ji)和差異設計(ji)，進一步(bu)提高了其可靠(kao)性。

(2) 適(shi)應性強，應用靈活(huo)

      多數采用模塊式的(de)硬件結構(gou)，組合和擴(kuo)展方便(bian)。

(3) 編程方便，易于使(shi)用

      梯形圖(tu)語言(yan)和順控流程圖(tu)語言(yan)(sequential function chart)使(shi)編程簡單方便(bian)。

(4) 控(kong)制(zhi)系統設計、安(an)裝、調試方(fang)便

      設(she)計(ji)人員只(zhi)要有(you)plc就(jiu)可(ke)進行控制系統設(she)計(ji)，并可(ke)在(zai)實(shi)驗室進行模擬(ni)調試。

(5) 維修方便，工作量小

      plc有完善的(de)(de)自(zi)診斷、歷史資料(liao)存儲及(ji)監視(shi)功(gong)能，工作人員可以(yi)方便(bian)的(de)(de)查出(chu)故(gu)障原(yuan)因，迅速處理。

(6) 功能完善

      除基本的邏輯控制(zhi)、定時、計數(shu)、算(suan)術(shu)運算(suan)等功(gong)能(neng)(neng)外，配合特殊功(gong)能(neng)(neng)塊，還可以實現(xian)點(dian)位控制(zhi)、pid運算(suan)、過(guo)程(cheng)控制(zhi)、數(shu)字(zi)控制(zhi)等功(gong)能(neng)(neng)，既方(fang)便(bian)工(gong)廠管理又可與上(shang)位機通信，通過(guo)遠程(cheng)模塊還可以控制(zhi)遠方(fang)設備。

      由于具(ju)有(you)(you)以上(shang)特點(dian)，使(shi)得(de)plc的(de)應用(yong)(yong)范圍極(ji)為(wei)廣泛，可以說只要有(you)(you)工廠、有(you)(you)控制要求，就會有(you)(you)plc的(de)應用(yong)(yong)。

2 恒(heng)壓變頻給水(shui)泵構成及控制方(fang)案

2.1 恒壓變(bian)頻給水泵(beng)構成

      一拖(tuo)二(一臺變頻器控制兩臺電機)恒壓變頻給水(shui)泵由變頻器、信號采(cai)集(ji)及處(chu)理(li)系統(tong)和控制系統(tong)3部分組成(cheng)。

(1) 變頻器

      此系統對變(bian)頻(pin)器(qi)的要求不高，現有(you)國內外各(ge)品牌(pai)變(bian)頻(pin)器(qi)基(ji)本都能滿足技術要求，在此我(wo)們以西門子(zi)mm430變(bian)頻(pin)器(qi)為例。此變(bian)頻(pin)器(qi)經過幾番更(geng)新換(huan)(huan)代，質量更(geng)加可靠、性能更(geng)加穩定(ding)，與國外其他品牌(pai)相比性能價(jia)格(ge)比較高。只(zhi)是(shi)此變(bian)頻(pin)器(qi)多功能數字輸入端子(zi)沒有(you)對兩路模擬輸入信號(hao)的切換(huan)(huan)功能，只(zhi)能通過外部繼電器(qi)切換(huan)(huan)。

(2) 信號采集及處理系統(tong) 

      該系統(tong)主要(yao)由傳(chuan)感器及pid調節(jie)器等組成，對就地(di)采(cai)集(ji)的信(xin)號進行處理和轉換，為控(kong)制系統(tong)提供一個(ge)準確(que)可利用的信(xin)號。

(3) 控制(zhi)系統

      該控制(zhi)系統由按鈕(niu)、繼電(dian)器(qi)、plc等電(dian)子電(dian)氣元(yuan)件組成(cheng)。該系統作為變頻調速(su)控制(zhi)主體，可(ke)控制(zhi)水泵的(de)起停、加(jia)減速(su)運轉(zhuan)以(yi)及(ji)泵間的(de)相互切換等。主要電(dian)氣元(yuan)件均采用(yong)(yong)西門(men)子產品。simatic s7-200可(ke)編程序控制(zhi)器(qi)是模(mo)(mo)塊化中小(xiao)型(xing)(xing)plc系統，能(neng)(neng)滿足中等性能(neng)(neng)要求的(de)應(ying)用(yong)(yong);大(da)范圍的(de)各種(zhong)(zhong)功能(neng)(neng)模(mo)(mo)塊可(ke)以(yi)非常好(hao)的(de)滿足和(he)適應(ying)自(zi)(zi)動控制(zhi)任務，各種(zhong)(zhong)單獨的(de)模(mo)(mo)塊之(zhi)間組合以(yi)用(yong)(yong)于(yu)擴(kuo)(kuo)(kuo)展;簡單實用(yong)(yong)的(de)分(fen)散式結構和(he)多(duo)界面網絡能(neng)(neng)力，使(shi)得應(ying)用(yong)(yong)十(shi)分(fen)靈(ling)活;方(fang)便用(yong)(yong)戶和(he)簡易的(de)無風扇設計(ji);當控制(zhi)任務增加(jia)時(shi)(shi)，可(ke)以(yi)自(zi)(zi)由擴(kuo)(kuo)(kuo)展;大(da)范圍的(de)集成(cheng)功能(neng)(neng)使(shi)得它的(de)功能(neng)(neng)非常強勁。多(duo)種(zhong)(zhong)的(de)性能(neng)(neng)遞增的(de)cpu和(he)豐富的(de)且帶有許多(duo)方(fang)便功能(neng)(neng)的(de)i/o擴(kuo)(kuo)(kuo)展模(mo)(mo)塊，使(shi)用(yong)(yong)戶可(ke)以(yi)完(wan)全根據實際應(ying)用(yong)(yong)選(xuan)擇合適的(de)模(mo)(mo)塊。當任務規模(mo)(mo)擴(kuo)(kuo)(kuo)大(da)，可(ke)隨時(shi)(shi)使(shi)用(yong)(yong)附(fu)加(jia)模(mo)(mo)塊對plc進行(xing)擴(kuo)(kuo)(kuo)展。考慮其性能(neng)(neng)和(he)點數(shu)，系統選(xuan)用(yong)(yong)西門(men)子s7-224繼電(dian)器(qi)輸入輸出型(xing)(xing)。 

2.2 控制系統方案

      恒(heng)壓(ya)變(bian)(bian)(bian)頻(pin)給(gei)水(shui)泵(beng)為了實現(xian)恒(heng)壓(ya)力(li)供(gong)水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)，系(xi)(xi)統采用(yong)(yong)(yong)閉環控(kong)(kong)制(zhi)，同時考慮(lv)系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)安全性，附加開環控(kong)(kong)制(zhi)，作為備用(yong)(yong)(yong)。開環、閉環之間可以方便的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)行轉(zhuan)換。壓(ya)力(li)傳(chuan)感器(qi)進(jin)(jin)行實時檢測，并將檢測到的(de)(de)(de)(de)(de)管道(dao)水(shui)壓(ya)信(xin)號(hao)(hao)經過轉(zhuan)換后(hou)傳(chuan)送給(gei)pid調節器(qi)，pid調節器(qi)將此信(xin)號(hao)(hao)與給(gei)定值進(jin)(jin)行比較后(hou)，經過一(yi)系(xi)(xi)列的(de)(de)(de)(de)(de)運算(suan)將輸(shu)出(chu)(chu)一(yi)個(ge)標準的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)信(xin)號(hao)(hao)給(gei)本系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)執行器(qi)－變(bian)(bian)(bian)頻(pin)器(qi)，變(bian)(bian)(bian)頻(pin)器(qi)根據調節器(qi)輸(shu)出(chu)(chu)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)化來(lai)改(gai)(gai)變(bian)(bian)(bian)其輸(shu)出(chu)(chu)頻(pin)率，進(jin)(jin)而改(gai)(gai)變(bian)(bian)(bian)水(shui)泵(beng)電機的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)速，以此來(lai)控(kong)(kong)制(zhi)出(chu)(chu)水(shui)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)大小。由(you)于(yu)變(bian)(bian)(bian)頻(pin)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)頻(pin)率在(zai)0~50hz范(fan)圍(wei)內連續可調，當用(yong)(yong)(yong)水(shui)量(liang)較小時，水(shui)泵(beng)維(wei)持(chi)低(di)速運行，當用(yong)(yong)(yong)水(shui)量(liang)增大致使壓(ya)力(li)降低(di)時，變(bian)(bian)(bian)頻(pin)器(qi)輸(shu)出(chu)(chu)頻(pin)率會一(yi)直上升到50hz時,因(yin)此當壓(ya)力(li)發生(sheng)變(bian)(bian)(bian)化時，系(xi)(xi)統會自動(dong)調節出(chu)(chu)口水(shui)量(liang)，使壓(ya)力(li)始終在(zai)設(she)定值附近波(bo)動(dong)並(bing)最終達(da)到設(she)定值，從而實現(xian)了恒(heng)壓(ya)力(li)供(gong)水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)。

(1) 恒壓變(bian)頻給水泵功能

      1可(ke)以根據需要(yao)，設定(ding)壓力(li)值(zhi)，系統自動(dong)進行循(xun)環(huan)啟動(dong)，實現恒壓供水(shui)，系統的響應速度快(kuai)，穩定(ding)性好; 

      2系統設有(you)手(shou)動(dong)(dong)、自(zi)動(dong)(dong)控制模(mo)式:在(zai)手(shou)動(dong)(dong)方式下，由(you)(you)工人根據壓(ya)力表顯示(shi)的情況，進(jin)行(xing)(xing)手(shou)動(dong)(dong)啟(qi)動(dong)(dong)，并且(qie)可以(yi)設定(ding)由(you)(you)工頻(pin)啟(qi)動(dong)(dong)還是變頻(pin)啟(qi)動(dong)(dong);在(zai)自(zi)動(dong)(dong)方式下，完全根據壓(ya)力設定(ding)值進(jin)行(xing)(xing)循環啟(qi)停泵(beng)操作; 

      3可以(yi)在(zai)線切換手動(dong)(dong)、自動(dong)(dong)控制模式:當系統在(zai)自動(dong)(dong)方式下完(wan)全啟動(dong)(dong)以(yi)后，可以(yi)不(bu)停機直(zhi)接切換到(dao)手動(dong)(dong)狀態下運行;

      4每臺泵(beng)都設有(you)變(bian)頻/工頻兩種狀態，在自動運行模式下，任一臺泵(beng)只(zhi)有(you)處于變(bian)頻狀態，才能由plc控制進(jin)入循環軟啟序列;

      5具有(you)顯(xian)示(shi)報警功(gong)(gong)能(neng),系統(tong)設置(zhi)有(you)各種(zhong)顯(xian)示(shi)功(gong)(gong)能(neng)，可以顯(xian)示(shi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)、電(dian)(dian)流(liu)、壓(ya)(ya)力(li)、變(bian)頻(pin)器輸出(chu)頻(pin)率、電(dian)(dian)機轉速等(deng)參數，同時(shi)設置(zhi)各種(zhong)保(bao)護功(gong)(gong)能(neng)，如過(guo)流(liu)保(bao)護、過(guo)壓(ya)(ya)保(bao)護、過(guo)載保(bao)護、欠壓(ya)(ya)保(bao)護等(deng)。

(2) 工作(zuo)原理

      在自(zi)動(dong)(dong)運(yun)(yun)行模式下(xia)，通過人為設定所需(xu)的(de)(de)(de)壓力，啟動(dong)(dong)系(xi)統后(hou)，控(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統通過變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)器(qi)啟動(dong)(dong)一(yi)臺(tai)(tai)處(chu)(chu)于(yu)變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)狀態(tai)的(de)(de)(de)水泵(beng)(beng)電機。當(dang)電機達(da)到(dao)(dao)滿(man)速以后(hou)，如果檢(jian)測壓力仍達(da)不到(dao)(dao)設定要求，控(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統會自(zi)動(dong)(dong)地將(jiang)該泵(beng)(beng)由(you)變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)切(qie)換(huan)到(dao)(dao)工頻(pin)(pin)(pin)(pin)，然后(hou)由(you)變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)器(qi)自(zi)動(dong)(dong)啟動(dong)(dong)另外(wai)(wai)一(yi)臺(tai)(tai)處(chu)(chu)于(yu)變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)狀態(tai)的(de)(de)(de)水泵(beng)(beng)電機。當(dang)檢(jian)測到(dao)(dao)的(de)(de)(de)壓力值偏高且變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)器(qi)運(yun)(yun)轉在下(xia)限(xian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率時，則第一(yi)臺(tai)(tai)工頻(pin)(pin)(pin)(pin)運(yun)(yun)行的(de)(de)(de)水泵(beng)(beng)電機將(jiang)自(zi)動(dong)(dong)停機;若再需(xu)加泵(beng)(beng)時，控(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統會自(zi)動(dong)(dong)將(jiang)變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)運(yun)(yun)行的(de)(de)(de)水泵(beng)(beng)切(qie)換(huan)至(zhi)工頻(pin)(pin)(pin)(pin)運(yun)(yun)行，然后(hou)再變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)啟動(dong)(dong)另外(wai)(wai)一(yi)臺(tai)(tai)處(chu)(chu)于(yu)變(bian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)狀態(tai)的(de)(de)(de)備(bei)用泵(beng)(beng);以此順序運(yun)(yun)行，直到(dao)(dao)出口壓力達(da)到(dao)(dao)設定的(de)(de)(de)要求值。

      在手動運行(xing)模(mo)式下，由人工(gong)根(gen)據壓力表顯(xian)示的壓力情況(kuang)進行(xing)現場手動啟(qi)(qi)動單臺泵，并且可以(yi)設(she)定是由工(gong)頻(pin)(pin)啟(qi)(qi)動還是由變頻(pin)(pin)啟(qi)(qi)動。對于變頻(pin)(pin)運行(xing)泵，可以(yi)通(tong)過手調(diao)信(xin)號給定電(dian)位器來(lai)調(diao)節水泵電(dian)機轉速(su)的快慢。

      此系(xi)統優(you)點是自動調(diao)節(jie)供水(shui)動力(li)范(fan)圍大，不用經常人(ren)工起停(ting)水(shui)泵，因而自動化(hua)程(cheng)度高，減小了電機長期滿(man)負荷運轉所造成的磨損(sun)，延長了設備的使用壽命。

(3) 控制系統原理(li)圖(tu)

      此(ci)系統(tong)中(zhong)，plc作為系統(tong)的(de)控制核(he)心，起著(zhu)至關重要的(de)作用。尤(you)其變頻(pin)自動加(jia)減泵的(de)過程(cheng)，關系到系統(tong)的(de)安全和調(diao)節(jie)的(de)平滑性，在編程(cheng)的(de)過程(cheng)中(zhong)應該注意。 

      變頻器及(ji)控制(zhi)(zhi)系(xi)統(tong)的(de)其它電子電氣元件作(zuo)為本系(xi)統(tong)的(de)執行機構，作(zuo)為變頻調速控制(zhi)(zhi)主體，可控制(zhi)(zhi)水泵的(de)起停、加減速運轉以及(ji)泵間的(de)相(xiang)互(hu)切換等(deng)。

3 恒壓變(bian)頻給水泵(beng)節能原理

      水泵(beng)為平方(fang)(fang)轉矩(ju)負載(zai)(zai)，即水泵(beng)的負載(zai)(zai)轉矩(ju)與(yu)(yu)轉速的平方(fang)(fang)成(cheng)正(zheng)比(bi)(bi)，而軸功(gong)率和負載(zai)(zai)轉矩(ju)與(yu)(yu)轉速的乘積成(cheng)正(zheng)比(bi)(bi)，因此(ci)，水泵(beng)的軸功(gong)率與(yu)(yu)電機轉速的立(li)方(fang)(fang)成(cheng)正(zheng)比(bi)(bi)。

由(you)此(ci)可知，當(dang)要求(qiu)出水(shui)量(liang)減少時，可使電機(ji)轉速降(jiang)低，而電機(ji)轉速微量(liang)減少，將使功率(lv)大幅下(xia)降(jiang)，節(jie)能效果十分明(ming)顯。本(ben)變(bian)頻調速系統經(jing)過優化設(she)計，精心的設(she)備選型，合理的編程，配合正確的信號給定，使得電機(ji)始(shi)終處(chu)于最(zui)佳運(yun)行狀態(tai)，節(jie)能挖潛得到了最(zui)大的發(fa)揮。

4 投資回報(bao)及效益分析

4.1 直接效益

      水泵恒壓供水避免(mian)了開(kai)關閥門造成的(de)(de)節流損失和關閉閥門運(yun)行(xing)時(shi)電機所(suo)做的(de)(de)無(wu)用功，按每年運(yun)行(xing)300天(tian)閥門平均開(kai)度(du)80%計(ji)算(suan)，22kw電機年節電量可做如下(xia)計(ji)算(suan):

w＝22×[1-(0.8)3]×24×300=7.79萬kwh

電費(fei)單價按(an)0.40元/kwh計算,全(quan)年可節約電費(fei)

m=7.79×0.40=3.116萬元

4.2 間接效(xiao)益

(1) 水泵進行變頻(pin)調速(su)改造以(yi)后，由(you)于系統采(cai)用軟啟動連續變速(su)運行，減少了(le)對(dui)水泵的磨損，大大延長了(le)設備使用壽(shou)命和(he)維(wei)修周期，減少了(le)維(wei)修費用和(he)由(you)此帶來的直(zhi)接經濟損失(shi);

(2) 系統采取(qu)過流(liu)、過壓(ya)、瞬時斷電、短路(lu)、欠壓(ya)、缺相(xiang)等(deng)多種(zhong)保護(hu)，避(bi)免了因電機燒損而影(ying)響生產所帶來的直接和間接經濟損失(shi)。

5 結束語

      恒(heng)(heng)(heng)壓變頻(pin)給水(shui)泵用(yong)變頻(pin)調速和(he)(he)plc來(lai)實現(xian)恒(heng)(heng)(heng)壓供水(shui)，與(yu)用(yong)調節閥門來(lai)實現(xian)恒(heng)(heng)(heng)壓供水(shui)相比較，節能(neng)效果(guo)十分顯著(zhu)。其優點是:起(qi)(qi)(qi)動平(ping)穩(wen)，起(qi)(qi)(qi)動電流(liu)可限制在(zai)額(e)定電流(liu)以內，從而避免了(le)起(qi)(qi)(qi)動時對電網的(de)(de)(de)沖擊;由于泵的(de)(de)(de)平(ping)均轉速降低了(le)，從而可延(yan)長泵和(he)(he)閥門等的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)壽命(ming);可以消除(chu)起(qi)(qi)(qi)動和(he)(he)停機時的(de)(de)(de)水(shui)錘效應;在(zai)鍋爐和(he)(he)其他(ta)燃燒重油(you)的(de)(de)(de)場合，恒(heng)(heng)(heng)壓供油(you)可使(shi)油(you)的(de)(de)(de)燃燒更加充分，大(da)(da)大(da)(da)地(di)減輕(qing)了(le)對環境的(de)(de)(de)污(wu)染。本系(xi)統經多年應用(yong)與(yu)完善，性能(neng)優越，安全(quan)方便，深得(de)用(yong)戶好評。