隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jī)作為以“電能”為能源,以輸出力矩驅(qū)動(dòng)水資源的分配、調(diào)度的動(dòng)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(jī)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(jī)長(zhǎng)期屬于大電流運(yùn)行狀態(tài),發(fā)熱量長(zhǎng)期積累,降低了電機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)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(dòng)態(tài)變頻調(diào)節(jié)功能,能夠動(dòng)態(tài)采集供水管網(wǎng)的實(shí)時(shí)波動(dòng)壓力數(shù)據(jù)對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控,自動(dòng)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(shí)踐應(yīng)用研究意義.
由于使用一般繼電器的水泵電機(jī)會(huì)對(duì)電和水能產(chǎn)生的浪費(fèi)、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(dá)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(jī)控制系統(tǒng).實(shí)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(shí)時(shí)波動(dòng)壓力數(shù)據(jù),利用PID頻率單元調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)時(shí)電源頻率及輸出力矩,來達(dá)到對(duì)供水管網(wǎng)給水量的動(dòng)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(jī)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(hào)器),實(shí)時(shí)采集供水管網(wǎng)的運(yùn)行壓力,并經(jīng)控制回路將信號(hào)傳輸?shù)阶冾l器中,經(jīng)DSP單元運(yùn)算分析后與系統(tǒng)預(yù)設(shè)定的壓力信號(hào)進(jìn)行“偏差對(duì)比”,一旦發(fā)現(xiàn)存在壓力偏差時(shí),就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的輸入端電源頻率,增大或減小水泵的輸出力矩,使整個(gè)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(dòng)范圍,其主要控制流程為：管網(wǎng)供水實(shí)時(shí)壓力信號(hào)(s)→變頻器DSP運(yùn)算(與預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行比差計(jì)算)→形成壓力偏差(ΔP)→水泵電機(jī)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)循環(huán)調(diào)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)壓力始終保持在節(jié)能運(yùn)行工況,達(dá)到節(jié)能動(dòng)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(dòng)時(shí),為了能夠通過PLC+變頻器控制系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)供需間的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定調(diào)節(jié)平衡,確保水泵電機(jī)始終運(yùn)行在高效穩(wěn)定的運(yùn)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(hào)器)實(shí)時(shí)采集供水管網(wǎng)的實(shí)時(shí)波動(dòng)的水壓信號(hào),并經(jīng)內(nèi)部閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)將供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)的水壓偏差信號(hào)(ΔP)經(jīng)控制回路傳輸給變頻器和PLC控制器,利用PLC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)/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(hào)進(jìn)行對(duì)比,獲得對(duì)應(yīng)的壓力偏差信號(hào)的電源頻率值,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的輸出力矩完成供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié). SAI670變頻器、PLC、水泵電機(jī)、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(yùn)用所選的電氣設(shè)備,降低系統(tǒng)成本,此處采用1臺(tái)變頻器同時(shí)控制M1和M2兩個(gè)水泵電機(jī),實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),,M1和M2兩個(gè)水泵電機(jī)按照“明備用”方式進(jìn)行相互備用,即當(dāng)“工作水泵M1”存在故障時(shí),“備用水泵M2”自動(dòng)啟動(dòng)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(jī)存在故障或事故時(shí)動(dòng)作保護(hù).
當(dāng)要啟動(dòng)水泵電機(jī)向供水管網(wǎng)供水時(shí),運(yùn)行人員只需通過控制面板上的“啟動(dòng)”按鈕,啟動(dòng)PLC控制系統(tǒng),然后經(jīng)信號(hào)回路動(dòng)態(tài)采集供水管網(wǎng)輸入端的水壓傳感器(信號(hào)器)信號(hào),并經(jīng)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換單元獲得變頻器可以識(shí)別的4~20MA數(shù)字信號(hào),然后將所獲得的水壓信號(hào)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)定的“目標(biāo)壓力”信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)行分析,形成對(duì)應(yīng)的壓力偏差電源頻率信號(hào),輸出作用在電機(jī)電源轉(zhuǎn)換為力矩變化完成水量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),實(shí)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(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),PLC控制器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)“工作水泵M1”的運(yùn)行工況,將其從“變頻調(diào)速控制”切換到“工頻運(yùn)行工況”,讓其處于工頻狀態(tài)下運(yùn)行.如果工作水泵切換到工頻運(yùn)行工況下,依然不能滿足供水管網(wǎng)供水壓力需求時(shí),則系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)定的控制流程,自動(dòng)啟動(dòng)“備用水泵M2”,通過兩個(gè)水泵的相互備用和運(yùn)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?？刂葡到y(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(dòng)運(yùn)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(shí)通過聲、光等信號(hào)形式提供運(yùn)行人員及時(shí)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(hù)計(jì)劃,及時(shí)查看控制系統(tǒng)各功能單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況狀態(tài),如果存在安全隱患或故障,應(yīng)及時(shí)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(tái)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(jì)的運(yùn)行,兩臺(tái)水泵采用明備用(即采用1用1備)的運(yùn)行模式.歷史運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)表明,供水系統(tǒng)的兩臺(tái)水泵在功率選擇過程時(shí)按照最大供水量要求進(jìn)行水泵參數(shù)選擇,而在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于供水系統(tǒng)絕大部分時(shí)間處于65%運(yùn)行工況,也就是供水系統(tǒng)中的實(shí)際供水水量平時(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于供水系統(tǒng)自身需要的消耗量,這樣勢(shì)必會(huì)造成大量的電能和水能資源浪費(fèi).同時(shí),水泵電機(jī)長(zhǎng)期處于額定運(yùn)行工況,發(fā)熱量增加造成電機(jī)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(shí)際情況可得電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速為510 r/min,功率在98 kW.若按照電機(jī)常年運(yùn)行300天進(jìn)行計(jì)算,設(shè)備每天運(yùn)行工作16小時(shí)進(jìn)行損耗分析.則對(duì)該抽水泵站185 kW水泵電機(jī)采取PLC與變頻器進(jìn)行節(jié)能升級(jí)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(jì)算可知,該水泵電機(jī)具有45.4%的節(jié)能潛力.如按工業(yè)電費(fèi)0.95元/度進(jìn)行估算,則采用PLC與變頻器對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行節(jié)能升級(jí)改造后,按照80%的有效轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行計(jì)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(jí)改造后,水泵電機(jī)每年可以節(jié)省的理論經(jīng)濟(jì)論文范文大約為32.25萬元,大大降低了水泵的運(yùn)行維護(hù)論文范文.另外,采用PLC+節(jié)能改造后,水泵電機(jī)在啟動(dòng)過程中,會(huì)受到變頻器自身的變頻保護(hù),啟動(dòng)電流大幅度降低,確保水泵電機(jī)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(jì)的運(yùn)行特性.
利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)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(yùn)算系統(tǒng)和PID調(diào)節(jié)計(jì)算,獲得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率偏差信號(hào),并作用在電機(jī)輸出電源力矩上,保證供水系統(tǒng)輸入與輸出能量的動(dòng)態(tài)平衡,具有較高的節(jié)能效果.本文采用PLC+變頻器對(duì)某抽水泵站185 kW水泵電機(jī)進(jìn)行節(jié)能升級(jí)改造,其獲得理論節(jié)電率高達(dá)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。
