PLC變頻調速系統對供水泵的節能改造

李巧琳　楊永剛

摘要：隨著電力電子技術的發展，交流變頻調速裝置的應用越來越廣泛，而隨著控制技術和控制手段的不斷提高，變頻調速發展到了矢量控制和PID控制的階段，更有利于實現工業生產過程的自動化控制及良好的節能效果。針對蘭州藍星有限公司供水系統的運行狀況，在原有設計的基礎上進行節能改造，實現了泵組自動調節功能的同時具有故障顯示和報警功能，有效地節省人力、資金，確保了供水系統及生產系統的平穩運行。

關鍵詞：節能改造；PID；PLC；變頻調速系統；供水泵 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN733 文章編號：1009-2374（2015）06-0096-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0475

1 概述

隨著工業控制自動化需求的快速擴大，變頻器節能、調速等功能在企業生產中發揮著重要的作用。充分利用變頻器的各種功能，合理設計變頻調速恒壓供水系統，對我公司節約電能消耗、降低生產成本、穩定生產工藝等方面有著非常重要的意義。特別是變頻器與靈活性強、可靠性高、控制速度快、易操作的可編程控制器（PLC）的結合，可實現多種功能，可滿足不同的生產工藝和操作要求。

1.1 改造的必要性

本文的課題是：通過變頻器的恒壓供水變頻調速系統，依據水壓的變化自動調節系統的運行參數，實現水泵電機無級調速，從而保持水系統的供水穩定，以滿足生產生活用水的需求。

1.2 水泵變頻調速的節能原理

水泵變頻調速比目前常用的閥門調節控制流量有著明顯的節能效果。

圖中曲線Ⅰ為水泵在恒速下的水壓/流量（H/Q）特性，曲線Ⅱ為恒速下的功率/流量（N/Q）特性，曲線Ⅲ為管網的阻力特性（閥門開度為全開）。若水泵在設計時工作在A點時的效率最高，輸出水量（流量）Q1為100%，此時的軸功率N1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比。根據生產工藝的要求，當流量需從Q1減少到Q2（假設此時為50%流量）時，如通過采用調節閥門的方法，相當于增加了管網阻力，使管網阻力特性變為曲線Ⅳ，系統由原來的工況A點變到新的工況B點，從圖中可以看出，水壓反而增加了，軸功率N2與Q2、H2的乘積面積BH2OQ2成正比，其減少不多；若采用變頻調速控制的方式（在保持原管網阻力不變的情況下），水泵轉速從n1降低到n2后，由水泵參數的比例定律可知，在轉速n2下的水壓/流量（H/Q）特性如曲線Ⅴ所示，可以發現，在滿足同樣流量Q2的情況下，水壓大幅度降低到H3，功率N3同時也隨著顯著減少，節省的能量損耗△N=△HQ2與面積BH2H3C成正比，可以看出節能效果十分明顯。

在Q減少的同時，泵的轉速下降時，其功率降低比較明顯。因此在水泵等輸送流體的生產設備中，采用變頻調速控制方式來調節流量，在節能效果上是一個切實可行的方法。

以我公司電機額定功率為Pe=450kW的3#循環水泵為例，假設滿載時輸出的軸功率等于電機額定功率，若需要的流量下降到80%的工況時（工況1），采用調節閥門的方法，所需電源功率約為80%Pe；若采用變頻調速時，所需電源功率為51%Pe。若需要的流量下降到50%的工況時（工況2），采用調節閥門的方法，電機輸出功率約為50%Pe，采用變頻調速時，電機輸出功率為13%Pe。我公司給排水共有550kW的水泵4臺，在工況一的情況下，4臺水泵年節約電費642721.2×4=2570884.8元。在工況二的情況下，4臺水泵年節約電費820023.6×4=3280094.4元。

通過以上內容可以看出，在所需流量越低時，節約電能越明顯，極大地降低了生產成本。

1.3 改造方案的可行性

改造方案是否可行需考慮以下五個因素：（1）滿足生產用水，保持水系統的穩定；（2）技術的可行性；（3）操作的可行性；（4）是否節能和降低消耗；（5）改造費用。

該方案采用閉環的變頻調速，依據水壓的變化自動調節系統的運行參數，能保持水系統的穩定；從技術角度來說，利用變頻器自帶的PID調節器在線調速比較容易，同時利用PLC開關量的輸入/輸出來控制水泵的啟、停及故障報警等，操作簡單、可靠性高。故采用該方案改造現行的水泵運行狀況是可行的。

2 改造方案

2.1 系統介紹

本恒壓調速系統主要由1臺可編程控制器（PLC）、1臺變頻器、壓力傳感器（液位傳感器）和2臺水泵組成，操作人員通過操作面板的按鈕、指示燈來控制、監控供水系統的運行。

2.2 運行方案

本系統有兩種運行模式：（1）手動運行模式。該模式主要供檢修或變頻器系統故障期間的運行；（2）自動切換變頻/工頻運行功能。變頻器通常用于驅動某臺固定水泵，并實時根據其輸出頻率控制輔助泵工頻運行，即當變頻器的輸出頻率達到PID上限時，啟動輔助泵；而輸出頻率小于PID下限時，停止輔助泵，控制方案如圖2所示：

2.3 控制原理

2.3.1 PID調節器控制。

第一，PID調節器概念。PID調節器控制是通過控制對象（水壓）的傳感器檢測控制量（反饋量），將其與目標值（設定值）進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。它是PI控制和PD控制的優點組合。PI控制是由比例控制（P）和積分控制（I）組合而成的，可以消除系統的靜差，提高系統的控制精度和抗外界干擾能力；PD控制是由比例控制（P）和微分控制（D）組合而成，PD調節器在系統中能隨誤差信號的變化率而產生控制作用，從而在誤差信號變大之前就能產生有效的控制，可以改善系統的動態響應速度，用于克服系統的慣性滯后，提高穩定性。采用PID方式能獲得無偏差、精度高和系統穩定的控制過程。

第二，PID調節器控制原理。將壓力設定信號和反饋信號送入PID回路調節器，由PID調節器進行運算后，輸入給變頻器一個轉速調節信號。

水壓反饋信號Y與設定值U進行比較，其偏差X經變頻器的控制器運算后產生執行量Fi去驅動變頻器，即當偏差X為正時，增加執行量，如果偏差X為負時，減小執行量，從而構成了以設定的壓力為基準的閉環控制系統。為了保證水壓反饋信號值的準確、不失真，且為了使PID控制系統穩定，可利用變頻器自帶的PID反饋濾波器對該信號設置濾波時間常數。

2.3.2 PLC系統。本系統中檢測點及控制量較少，據其特點可采用我們經常使用的歐姆龍C28P-CDR-A型可編程控制器，該控制器輸入16點，輸出12點。該控制器與傳統的繼電器控制系統相比，具有控制的可靠性高、速度快等優點，實現手動/自動控制運行水泵及備用水泵，充分保證供水系統的穩定可靠運行。

為使本機組可靠工作，不至于因誤操作而出現故障，應在C28P內部設定多種保護措施。

3 結語

供水系統通過變頻調速改造后，可根據設定水壓自動調節水泵電機的轉速，在提高了供水系統穩定性的同時節約了電能。利用基于PLC的變頻調速和PID控制功能對循環泵進行改造，為公司節能改造的進程起到一定的促進作用。

作者簡介：李巧琳（1973-），女，甘肅秦安人，蘭州藍星有限公司中級工程師，國家注冊安全工程師，國家注冊一級建造師（機電專業），研究方向：電氣安全管理、電氣自動化控制；楊永剛（1972-），男，甘肅鎮原人，蘭州藍星有限公司中級工程師，國家注冊監理工程師，國家注冊一級安裝建造師（機電專業），研究方向：機電一體化、電氣自動化控制、電氣設備檢維修。

（責任編輯：黃銀芳）