水環真空泵的水環節能控制與研究

孟彥京 耿娜娜 馬匯海 趙 丹

(陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021)

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·水環真空泵·

水環真空泵的水環節能控制與研究

孟彥京 耿娜娜*馬匯海 趙 丹

(陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021)

分析了水環真空泵運行控制的原理。為了實現水環真空泵的水環節能控制,設計了基于PLC的節能控制裝置方案,該方案包括系統的整體硬件設計和整體軟件設計,同時增加了上位機控制設計,便于控制系統的實現。根據實驗實測的數據以及數據分析,證明水環真空泵在一定的水環下工作,可以實現在保證真空度穩定的前提下節約電能和水能,同時提高水環真空泵的工作效率。

水環真空泵；PLC；變頻器；水環；節能

(*E-mail: 1506647833@qq.com)

水環真空泵是紙機網部耗能較大的設備[1],在實際生產中,水環真空泵通常采用一個固定閥門直接供水,往往忽視了對其節能、節水的考慮[2-3]。能耗成本是造紙工業主要的成本支出[4]。因此,為避免能源浪費,研究新型水環真空泵的水環節能控制系統十分重要。筆者根據自身相關經驗并結合水環真空泵的工作原理,從硬件設計和軟件設計兩個方面對水環真空泵的水環節能控制系統進行闡述,并對實驗的實測數據進行了分析。

1 工作原理

水環真空泵由葉輪、泵體、吸排氣盤、水在泵體內壁形成的水環、吸氣口、排氣口等組成[4]。

圖1 水環真空泵結構示意圖

水環真空泵結構示意圖如圖1所示,葉輪與泵體呈偏心配置,當葉輪順時針旋轉時,在泵體中形成密閉水環,水環與葉輪構成月牙形空間。右邊半個月牙形的容積由小變大而形成吸氣孔,左邊半個月牙形的容積由大變小而成壓縮過程(相當于排氣孔)。被抽氣體由進氣口進入吸氣孔,轉子進一步轉動,使氣體受壓縮,經排氣口排出。排出的氣體和水滴由排氣管道進入水箱,此時氣體從水中分離出來,經管道排到大氣中,水由水箱進入泵中,或經過管道排到排水設備中[5- 6]。在水環真空泵的連續運轉過程中,不斷地進行吸氣、壓縮、排氣3個過程[7],從而達到連續抽氣的目的。

2 節能原理

2.1 水環真空泵的節能原理[8-9]

由真空泵抽率公式S=Q/P1可以看出,當真空系統漏氣率Q恒定時,機械泵有效抽速S與需要達到的預真空度P1呈反比例關系。P1越小,需要機械泵的有效抽率越大；如P1的值大于實際需要的值,就存在過剩真空而造成機械泵有效抽率的浪費。

由S=Q/P1可以得出P1=Q/S,從該式可以看出,生產需要的真空度P1可以作為調節量,以此按照生產工況來設定一個P0值,通過PID控制調節變頻器的頻率大小,從而調節機械泵的有效抽率達到節能降耗的目的。

2.2 改變水環的節能原理

在工業現場使用過程中，水環真空泵通常采用一個固定閥門控制供水量的直接供水方式[10]。當電機轉速一定且水位在一定范圍內時,水位高所形成的水環大,水位低所形成的水環小,即當水環偏大時,會使功耗增加,故水環真空泵效率下降,電能損耗加大；同時,又由于供水管道供水量隨工作狀態的變化而變化,這就使得水環真空泵的真空度受到一定的影響,又增加了能源損耗[11]。本研究使水環真空泵電機轉速維持在正常真空度狀態下的轉速,人為控制使得水流以最佳的流速注入水環真空泵中,使其一直在最高效狀態下工作,克服上述現有技術的不足。

3 控制系統設計

水環真空泵的水環節能控制裝置的硬件系統平臺主要包括通用上位機、PLC、水泵變頻器、真空泵變頻器、水泵電機、真空泵電機、水泵、水環真空泵、真空箱、真空度傳感器和真空壓力表。

圖2 控制系統結構示意圖

控制系統結構示意圖如圖2所示。由圖2可知，真空度傳感器將采集到的真空箱內實際的真空度數據傳輸到PLC中,與預設的真空度標準值進行PID調節,形成閉環控制系統[12],確定是否控制真空泵變頻器,進而控制真空泵電機的轉速,用水環真空泵來調節真空箱內的真空度,同時真空泵變頻器將功率值反饋回PLC中。水流量大小的控制通過上位機設定不同給定值,使PLC輸出信號控制水泵變頻器,進而控制水泵電機的轉速,來改變水環真空泵內的給水量。真空壓力表用來顯示當前真空箱內的真空度。

3.1 硬件設計

本研究采用“三級傳動”的控制模式,即將PLC與上位機相結合。其中上位機提供了實驗軟件系統的開發平臺,主要根據實驗要求,通過編程和組態來控制PLC。PLC作為水環真空泵節能控制裝置的核心控制器,實現程序中各種量的計算與控制。

硬件系統接線圖如圖3所示,PLC采用西門子公司的CPU226 S7-200型,通過PLC的2個數字量輸出端口來控制繼電器的得電與失電,從而實現對電機啟停的控制；同時通過PLC的2個數字量輸入端口來反饋變頻器運行狀態。I/O控制模塊采用SM231和SM232型,通過2個模擬量輸入和2個模擬量輸出,實現對水環真空泵變頻器功率和實際真空度的采集,對水泵變頻器和真空泵變頻器的頻率控制。連接模擬量的線采用帶有屏蔽層的電纜,以免造成信號的干擾,影響測量精度。水泵變頻器和真空泵變頻器均采用ABB公司生產的ACS800型,二者通過輸入端子實現變頻器速度給定,三相輸出端子實現對電機的控制,同時啟動聯鎖,其中真空泵變頻器通過輸出端子實現功率反饋。

3.2 軟件設計

軟件系統模塊主要包括：人機界面模塊、數據采集計算、模擬量采集、真空度PID計算和電機啟停。

人機界面模塊是水環節能控制系統的人機交換平臺,用于人機系統的任務數據給定、顯示系統的狀態以及系統狀態的調節。數據采集模塊可以實現節能系統的手動編輯與修改,從外部導入數控程序,檢驗數控程序的語法錯誤,對節能控制程序進行處理,包括給水量指令和給定功率等。PID模塊用來調整系統的穩定程度,在閉環控制系統中,真空度通過反饋傳遞到輸入端,反饋和輸入共同調節系統使真空度達到最終的穩定。電機啟停模塊用來控制給水電機以及真空泵電機的啟停,在啟動水環真空泵前,先通過電機啟停模塊啟動水泵給水電機,當水環真空泵中的水達到一定程度再啟動水環真空泵。同理,要停止設備時,先通過電機啟停模塊停止水環真空泵,當水環真空泵完全停止之后再停止給水電機。

圖3 硬件系統接線圖

圖4 主程序流程圖

3.2.1 PLC控制程序設計

采用由西門子公司提供的STEP7-Micro/WIN32 V3.1編程軟件來完成PLC控制程序的編譯,能夠在主程序中分別調用所需的數據采集計算、模擬量采集、真空度PID計算、電機啟停等子程序。因此本研究的主程序流程圖如圖4所示。

3.2.2 WinCC組態設計

采用由Win CC編譯的上位機系統來形成人機界面,能夠通過計算機直接控制整個系統的運行、了解系統的工作狀態以及穩定程度,還可以通過改變參數的給定來改變系統的工作狀態。具體編輯的畫面如圖5所示。

圖5 WinCC組態示意圖

4 實驗結果

本次實驗采取控制變量法,首先設定一個真空度值,讓水環真空泵的進水流量達到該型號的最大進水量,且真空泵變頻器在一定頻率下運行,通過PID調節使實際真空度達到設定值。其次逐步減小水環真空泵的進水量,每減小一個量值,測定并記錄真空泵變頻器的功率反饋平均值和真空泵進水量值。最后在不同的真空度下,重復以上步驟并記錄。設置的3個真空度分別為30%、40%、50%,在每個真空度下設定的給水量分別為1700、1600、1500、1400、1300、1200、1100、1000、900、800、700 mL/min。在不同的真空度下變頻器功率反饋曲線如圖6～圖8所示。

如圖6所示,當設定真空度為30%時,隨著給水量的減小,真空泵反饋功率平均值曲線呈現先減小后增大的變化趨勢,并且根據圖像可看出,當給水量為1400 mL/min時,真空泵反饋功率平均值最小。

圖6 真空度為30%時不同水流量下的功率曲線

圖7 真空度為40%時不同水流量下的功率曲線

圖8 真空度為50%時不同水流量下的功率曲線

如圖7所示,當設定真空度為40%時,隨著給水量的減小,真空泵反饋功率平均值曲線呈現先減小后增大的變化趨勢,并且根據圖像可看出,當給水量為1200 mL/min時,真空泵反饋功率平均值最小。

如圖8所示,當設定真空度為50%時,隨著給水量的減小,真空泵反饋功率平均值曲線呈現先減小后增大的變化趨勢,并且根據圖像可看出,當給水量為1200 mL/min時,真空泵反饋功率平均值最小。

綜上可知,當真空度不變時,真空泵反饋功率平均值的大小隨著真空泵給水量的改變而變化；并且在一定范圍內,隨著真空泵給水量的減小真空泵反饋功率平均值呈現先減小后增大的趨勢。

5 結 論

水環真空泵進水流量的大小可以影響真空度,在實際的應用中,將水流量設定在一定的數值下,通過水環節能控制裝置的自我PI調節,真空泵變頻器在一個合適的頻率下工作,使得水環真空泵運行所消耗的功率和水流量最小,實現節能控制。在降低能耗和生產成本的同時,還可提高紙機生產線的穩定性和產品質量,幫助企業產生巨大的經濟效益。

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(責任編輯：劉振華)

Study on the Energy Saving Control of Water Ring for Water Ring Vacuum Pump

MENG Yan-jing GENG Na-na*MA Hui-hai ZHAO Dan

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

The principle of operation control of water ring vacuum pump was analyzed. In order to realize the energy saving control of water ring for water ring vacuum pump, the plan of the energy saving control device based on PLC was designed, which included the hardware design and software design of the system, meanwhile adding the design of host computer control in order to control system implementation. According to the experimental data analysis, it was proved that the water ring vacuum pump worked in a certain liquid ring condition could achieve the maximum energy saving of electricity and water on the premise of keeping the vacuum degree steadily, and improve the efficiency of the water ring vacuum pump.

water ring vacuum pump； PLC； frequency converter； water ring; energy saving

孟彥京先生，博士，教授；主要研究方向：電力電子與電力傳動,工業現場總線技術及其在電力傳動上的應用。

2015-12-10(修改稿)

耿娜娜女士，E-mail:1506647833@qq.com。

TS736

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.010