基于可編程邏輯控制器的循環電泵變頻控制

摘 要：本文通過設計以可編程邏輯控制器（PLC）為主控的循環泵變頻調速系統，在大幅提高換熱效率的同時延長電機壽命，削弱了對電網的沖擊，避免保護裝置誤動；通過減小系統阻力切實降低了能耗，并以縝密的定量分析驗證其顯著的節能效果，緊密貼合當下世界能源發展節能減排的趨勢。

關鍵詞：節能減排；電機變頻；可編程邏輯控制

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 14-0000-01

在我國現今投入使用的大部分普通換熱站中，多用人工開關閥門控制循環泵流量，大大增加了管路阻尼，嚴重浪費電能；供暖系統的頻繁啟動在加劇管路止回閥等設備損耗的同時亦對電網造成巨大沖擊，易使保護裝置誤動[1]。為有效解決上述問題，本文設計了循環泵變頻調速系統，在滿足用戶端供暖負荷要求的前提下令電機在整個系統運行過程中的能耗最低，具備推廣和應用的價值。

一、循環泵的進回水溫差變頻原理與電路設計

通過系統二次進水與回水的溫差來控制循環泵變頻器的轉速，變頻、變流量供熱，降低供暖管網輸送成本，在滿足用戶端供暖負荷要求的前提下令電機在整個系統運行過程中的能耗最低。設定二次進回水的溫差為15℃，當實際溫差大于15℃時，循環泵變頻器加速，循環水流量G增加；反之，循環水流量G減少。

（一）進回水溫差控制原理。在通過TP設定參數后，啟動系統，經由溫度傳感器與PLC控制器的操作，使變頻控制柜適時適量控制循環泵轉速以調節其輸出流量。供暖系統采用循環投切的方式，將二次側進回水溫差經溫度傳感器輸出反饋信號傳送至PLC，經PLC處理后傳送操作指令至變頻器作為調速控制信號。

（二）循環泵PLC控制電路設計。采用變頻調速技術控制循環水流量有顯著的高效、節能效果。循環泵PLC控制電路圖如圖1所示。圖中KT為時間繼電器、KA為中間繼電器、FU為熔斷器、SAC為轉換開關、XT為接線端子、HY為變頻工頻指示燈、HG為故障報警燈。

二、PLC控制程序設計

（一）PLC的選型與變頻器的參數設定。控制電路以PLC為核心。可編程邏輯控制器選用s7—200系列CPU224型主機（14輸入/10輸出），頻器采用ACS400，模擬量輸入采用4路輸入的EM235擴展模塊，具備較高精度[2]。PLC的輸入/輸出地址分配如表1所示。當變頻器令水泵轉速過低時，其全揚程小于實際揚程，易形成空轉，故設定變頻下限為20Hz；當變頻器變頻令水泵轉速升至額定頻率50Hz時，變頻器V/F補償功能會令水泵實際轉速略高于工頻轉速，故常將變頻上限設定為49Hz[3]。

（二）PLC程序流程。本系統采用手動和自動兩種方式。手動運行方式主要在檢修和故障時使用。自動運行方式以循環泵的變頻控制為例。首先檢測水池水位。若水池水位符合設定水位要求，1號循環泵變頻啟動，輸出頻率由0Hz開始逐步上升。若變頻頻率到達50Hz時循環水流量仍不滿足要求，則在利用時間繼電器（KT）產生一定延時后，1號循環泵變頻轉工頻運行，同時啟動2號循環泵變頻運行。頻率逐步上升，據此類推增加水泵，直至循環水流量增至設定要求。當循環水流量超過設定值，PLC控制變頻器降低輸出頻率，減少循環水出水量。若變頻頻率降至下限值（一般為25Hz）時，循環水流量仍大于設定值，則PLC通過KT延時計時。若降至設定值，則停止計時，變頻器繼續調速；若仍大于設定值，PLC停止運行時間最長的工頻泵。據此減少水泵，直至減至設定要求。

（三）故障操作流程。運行中任何一臺循環泵引起熱過載繼電器動作或變頻器產生故障后，相應循環泵轉另一臺工頻運行。補水泵在運行過程中如引發熱過載繼電器動作，則對應補水泵轉另一臺變頻運行；若變頻器發生故障，則對應補水泵轉另一臺工頻運行。若泵輸出信號與對應真實反饋信號有偏差，或任意泵報警，則產生“維護報警”信號，于PLC+TP操作平臺直觀顯示，提醒管理人員解決故障。若所有泵均報警，則產生“無泵可用”信號于PLC+TP操作平臺直觀顯示，提醒管理人員檢修系統。在故障解決后，在PLC+TP操作平臺按下故障復位按鈕，消除故障報警，各泵運行恢復正常。如出現緊急狀況可按下急停按鈕使設備停止運行。

三、經濟效益與社會效益分析

當平均流量是設計流量的70%時，節電率可按GB12497《三相異步電動機經濟運行》中的計算公式計算，如下式所示：

由此可見，減少30%的平均流量后，節電率高達52.3%，節能效益十分可觀。

對于同一臺泵，當葉輪直徑不變時，有如下公式

其中 分別為電機轉速為 時水泵的流量、揚程、軸功率； 分別為電機轉速為 時水泵的流量、揚程、軸功率。因此，當水泵流量減少15%時，電機轉速降低15%，水泵電耗降低38.59%；當水泵流量減少40%時，電機轉速降低40%，水泵電耗降低78.4%。當供暖系統所需流量減少時，降低電機轉速，相應水泵流量減少，從而降低水泵軸功率，節能效果尤為顯著[4]。

參考文獻：

[1]杜俊明.換熱站的變頻調速控制系統[J].自動化博覽，2005.

[2]孫凱.基于PLC的變頻恒壓供水系統的設計[J].中國制造業信息化，2010.

[3]路野.基于PLC和變頻調速的恒壓供水系統設計[J].計算機與數字工程，2009.

[4]邵宗義.變頻技術在熱水供暖系統中的應用[J].中國建設信息供熱制冷專刊，2004.