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基于PLC与变频技术的节能应用研究

2019-07-11 10:53编辑:admin人气:


一、概述

本文的内容是结合PLC和变频器的功能,实现对送水泵房的恒压供水系统控制;系统采用变频调速方式自动调节水泵电机的速度,利用PLC的PID的自动调节功能控制变频器,形成以压力为闭环的控制系统,从而实现恒压供水,而水组泵的启动和停止可以通过自动和手动来实现,该系统运行可靠,抗干扰性强,且具有较强的节能性。但在自动控制的实现过程中,系统还存在很多技术问题,结合一些实际配置过程与大家一起探讨。

二、系统组成

PLC-变频器和软启动器控制系统由1个PLC控制站、2台变频器、3台软启动器、压力变送器、综合保护器、液位计及5台水泵等组成。5台水泵的流量是12000m3/h,电机为132kW,两台变频器控制两个水泵,三台软启动器控制另外三台水泵。在出水总管上安装有压力变送器探测管网的压力,在清水蓄水池装有液位计,检测水池的液位并将信号送至PLC。每台水泵都配有1台的综合保护器(安装在变频器或软启动机柜内)。变频器采用西门子公司的MICROMASTER(MM440),PLC采用西门子公司的GE的可编程序控制器,出水总管上配备E+H公司的FT-1压力传感器和清水蓄水池FT-1E液位传感器。

三、系统控制原理

通过安装在出水管网上的压力传感器,把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PLC,经PLC运算与给定的压力进行比较,得出一比较参数,送给变频器,由变频器控制电机的转速,调节系统的供水量,使供水管网上的压力保持在给定的压力上,当用水量超过一台泵的供水量时,通过PLC控制切换器进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速,实现恒压供水。当供水负载变化时,输入电机的电压和频率也随之变化,这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外,系统还设有多种保护功能,充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。变频器的作用是为电机提供可变频率的电源,实现电机的无极调速,从而使管网水压连续变化。压力传感器的任务是检测管网水压,压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后,经可编程控制器内部PID控制程序的计算,输出给变频器一个转速控制信号。当供水设备启动时,先启动变频泵,管网水压达到设定值时,变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加,水压降低时,传感器将这一信号送入可编程控制器,可编程控制器送出一个用水量增大的模拟信号,使变频器的输出频率上升,水泵的转速提高,水压上升。如果用水量增加很多,使变频器的输出频率达到最大值,仍不能使管网水压达到设定值,可编程序控制器就发出控制信号,启动一台工频泵,其他泵依次类推。反之,当用水量减少,变频器的输出频率低于某一值(一般为30Hz左右)时,管网的压力仍高于给定的压力,PLC也自动启动计时器,在一定的时间段内,如果压力仍高于给定值,PLC就自动停止一台工频泵的,直至压力降低为止,其他泵依次类推。

四、PLC的配置及PID程序设计

根据用户需求,对控制器PLC的硬件配置如下,CPU模块采用IC200CPUE05,带2个串口的CPU,内含以太网接口,数字量输入(DI)采用IC200MDL640模块,数字量输出(DO)采用IC200MDL740模块,模拟量输入(AI)采用IC200ALG240模块,模拟量输出(AO)采用IC200ALG230模块。在现场实际中,数字量输入输出(DI/DO),模拟量输入输出(AI/AO)都有冗余,以备系统临时扩充需要。触摸屏采用深圳威伦通10.4寸TFT65536色的MT6104T。上位机监控系统使用一台工程师站和一台操作员站。两台工业计算机分别采用以太网络完成计算机与PLC主站之间的数据通讯。操作员站的画面组态软件选用GE Cimplicity组态软件完成用户二次软件的开发。

PID控制各校正环节主要作用如下:

(1)比例环节:比例的增大等价于系统开环增益的增加,会引起系统响应速度,稳态误差减少,超调量增加。当比例过大时,会使闭环系统不稳定。

(2)积分环节:相当于增加系统积分环节,主要作用是消除系统稳态误差。积分环节作用的强弱取决于积分常数积分。微分增大,系统超调量减小,但响应速度变慢。

(3)微分环节:主要作用是提高系统响应速度,同时减小超调量。抵消系统惯性环节的滞后不良作用,使系统稳定性明显改善。微分过大或过小都会使超调量增加,调节时间加长。由于该环节所产生的控制量与信号变化速率有关,故对信号无明显变化或变化缓慢的系统微分环节不起作用。

GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模块如下:PLC在本系统中主要通过模拟输入接口AI0001(SP)设定出水管道的压力值,通过模拟输入接口AI0002(PV)读取管道的实际压力反馈信号,将AI0001(SP)与AI0002(PV)相减,产生的误差(Error),将误差送到PID功能模块,通过设置比例项(Proportion)、积分(Integra)、微分(Derivative)使输出项AQ0001达到平稳输出给变频器,使变频器输出产生平滑的频率给变频水泵,防止出现大的波动使管道的压力出现大的震荡。

图1PID自整定功能模块及设置

图1 PID自整定功能模块及设置

五、水泵负荷变频调速节能原理

水泵是将电动机的轴功率转变为流体的设备。过去很少采用转速控制的方法,多是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转,当需要改变流量时,调节节流阀和挡板,这种方法虽然控制简单,但节能较差,不经济,动态跟踪性能也很差。变频调速节能是相对于阀门调节而言,采用变频调速器后,将阀门全开,通过改变电机电源频率的方法来改变电机转速。由流体力学可知,流量Q与转速n的一次方成正比,风压H与转速n的平方成正比,功率P与转速n的立方成正比,即:Q=Qe(n/ne),H=He(n/ne)2,P=Pe(n/ne)3,式中,Qe为水泵的额定流量,He为水泵的额定压力,Pe为水泵的额定功率,ne为水泵的额定转速。

图 2 水泵系统特性曲线

图 2 水泵系统特性曲线


由上面的公式可知,调节水泵流量时,可通过转速进行调节,此时水泵轴输出功率与转速的立方成正比。根据水泵系统特性曲线(如图2)加以分析。

假定水泵最佳效率工作点是A点,当需减少水泵的供水量时,采用传统的阀门调节方式,增加系统阻力来满足要求,使水泵工作点由A点转移到B点。这种方法不但不能节能,反而会加快水泵的效率损耗,同时低效运行会引起较高的结构振动,产生噪声及有损设备。采用变频调速技术后,通过变频调速,降低异步电机的转速,使系统重新达到平衡,工作点由A点转移到C点。从C点可看出,电机转速虽然降低了,但对水泵效率影响不大。根据上述原理,当水泵流量在较大范围内发生变化时,采用变频调速对水泵转速加以控制,将会取得非常显著的节能效果。水泵流量、转速、轴功率及电源频率关系如表1所示。

表1 水泵频率、转速、流量、频率关系

六、节能效果评估


以沈阳某水厂为例,从系统报表可以得出系统平均轴功率输出在50%以下,保守计算,我们按35%的节电比率来计算,系统在一年节电量为:132kW35%243012=399168kWh,按电价0.69元来计算,一年节约电费为:3991680.69=275425元。

水泵通过应用变频调速技术后,改变了原有的操作方式,实现了远程控制,能够有效地调节送水生产过程,使系统运行稳定,保持水泵高效运转,电机实现了软启动,无冲击电流,设备故障率大大降低,维修费用大为减少。

系统应用变频调速技术,在大大节约电能的基础上,使长期轻载运行的泵工作在低转速、低电压的状态下,这样就使电机发热少、温升低,延长了使用寿命。变频调速技术也提高了功率因数,使电网损耗减少,效率提高,同时降低了水泵噪音,改善了生产环境。另外变频器自我检测、故障诊断、保护功能齐全,可有效地防止事故扩大化。

七、结束语

在供水系统中目前广泛地采用了变频调速的恒压供水方法,本套系统运行速度快,控制精度高,结构合理,功能齐全,软硬件配置可靠性高,具有较高实用价值和推广前景,能够适应工业锅炉的控制要求。节约了资金和人员投入,又提高了水厂供水的自动控制水平,消除了事故隐患,此外,系统还极大的减少了控制系统的维护工作量及设备备品,备件的更换量和更换周期,经济效益可观。

参考文献

[1] 隋振有、隋凤香. 可编程控制器应用解析[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2] 孙传森.变频器技术[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3] 刘宇, 彭力. 基于PLC的城市污水处理控制系统设计[J]. 可编程控制器与工厂自动化, 2009, (09)

[4] 林育兹、鲍平.可编程控制器原理及逻辑控制[M] ,北京:机械工业出版社,2006年.

作者简介:原宝龙,男,硕士,1970年生,沈阳建筑大学信息与控制工程学院,高级工程师,主要从事控制理论与控制工程研究。

(来源:未知)

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