基于电力电子技术和计算机技术相结合的全自动变频调压PLC控制系统

1 、引言

汕头市澄海区第一水厂送水泵房共有六台送水机泵，包括55kW、75kW、110kW三种不同功率的机泵各两台。由于用户用水量具有一定的随机性，如果只靠启动和停止机泵来保持供水压力，这样很难满足随时变化的供水要求。据统计分析，在水厂的生产成本中，送水机泵运行用电成本占了很大的比例。为降低电耗，保证供水质量，受用户委托对送水泵房水泵机组实施全自动变频调压PLC控制。全自动变频调压PLC控制系统主要采用变频调速技术，它具有恒定水压，降低能耗等显著优点，是一项集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术。

2 、系统介绍

全自动变频调压PLC控制系统主要由一套可编程控制器PLC和一台变频器组成。PLC对管道压力进行实时采样，并与压力设定值进行比较，根据压力偏差值由PID闭环控制算法得出一调节参量，控制变频器输出频率从而控制水泵电机转速，以及根据压力差值的大小等条件自动选定工作机泵的类型和数量，使管网压力与设定压力一致。

根据工艺要求，为达到既降低电耗，又避免频繁启停机泵，选择110kW的机泵与变频器组成调速泵，其余机泵作为定速泵。在一台变频器下的两台110kW的机泵加装电气互锁控制，防止两水泵同时运转。

系统兼有手动和自动操作功能，可根据不同的需要，选择不同的工作方式。手动时，频率输出由变频器的操作器设置，自动时，频率输出由PLC根据管道压力自动调节。

3、 系统特点

（1）自动控制水泵转速

实时读入管网压力值，与设定值比较，由PID控制算法得出一调节参量，控制变频器输出频率，从而控制调速泵的转速，实现恒压供水。

（2）自动运行泵的类型和台数

当用水量较少时，调速泵调频变速工作，保持干管水压恒定。当用水量超过调速泵的工频流量，水压降低时，变频器先把频率降低到70％，控制调速泵运转，同时PLC增开定速泵，泵的类型和数量可以根据当前的压力差和用水量的历史曲线决定，增开定速泵后，调速泵的运行频率则根据压力差进行调整，使干管压力接近设定值。如当用水量减少时，变频器降低调速泵的运行频率，当频率降低到40%时，相应地关闭定速泵，然后调整调速泵的频率，使干管压力接近设定值；停泵时，根据当前的压力差和用水量的历史曲线决定所停的泵的类型和数量。当水压达不到要求，系统在开停泵时都应采取延时处理，避免出现在短时间内频繁切换机泵的情况。

（3）最大限度利用原有设备，减低投资成本。

4 、变频调压的节能原理

为适应用户用水量的变化，调节出水流量，现通常采用两种方法来完成流量的连续调节。一种是利用控制阀或节流阀进行节流，以改变出水流量；另一种是泵的调速控制，调节泵的转速来改变出水流量。图l为水泵调速时的全扬程特性（H—Q）曲线。

用阀门控制时，当流量要求从Q0减小到Q1，必须降低阀门开度。这时阀门的磨擦阻力变大，阻力曲线从R移到R’，扬程则从H0上升到Hl，运行工况点从A点移到B点。

用调速控制时，当流量要求从Q0减小到Q1，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从N100降到N80，运行工况点则从A点移到C点，扬程从H0下降到H2。

根据离心泵特性曲线公式：

P=QHr／102η （1）

式中：P——水泵使用工况轴功率（kW）；Q——使用工况点的水压或流量（m3／s）；H——使用工况点的扬程（m）；r——输出介质单位体积重量（kg/m3）；η——使用工况点的泵效率（％）可得出运行在B点泵的轴功率和C点泵的轴功率分别为：

由（4）式看出，用阀门控制流量时，有△P功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制流量时，根据流量Q、扬程H、功率P和转速N之间的关系，有：

由（5）式可知，流量Q与转速N的一次方成正比；扬程H与转速N的平方成正比；轴功率P与转速N的立方成正比，即功率与转速成3次方的关系下降。如果不是用降低阀门开度的方法，而是把电机转速降下来，那么在同样流量的情况下，原来消耗在阀门阻力的功率就可以避免，从而获得图l中BC区域大小的节能效果。本全自动变频调压PLC控制系统选择的调速泵的功率为P=llOkW，额定转速为n=1450r／m，从表l可以观察所需功率和转速的关系。

据统计分析，泵大部分工作时间是运行在60%到80%的负载工作点上。由上表可以看出，60％和80％的负载工作点上所需的功率相当于以额定转速工作时功率的51．2％和21．6％。所以采用变频调速控制泵的流量，理论上可以节约40%的电耗。

5 、投资效果

汕头市澄海区第一水厂送水泵房安装实施了全自动变频调压PLC控制系统后，投资效果非常明显。主要体现在以下几个方面：

（1）节能效果非常显著，而且生产工艺稳定，可产生明显的经济效益。

根据用户统计，月平均节约电能30000kWh，按工业电价0．67元／kWh计，每月可以产生直接经济效益2万余元，具有明显的经济效益。

（2）延长设备寿命，降低维修费用。由于电机水泵的转速普遍下降，运行状况明显改善。变频器启动和调速平稳，这减少了对电网的冲击。同时叵压供水对管网不会造成经常性的强烈冲击，对管网起了很好的保护作用。这些都对延长设备的使用寿命，降低设备的维修费用有积极的意义。

（3）改善工作环境，降低设备故障的可能性。采用变频调速技术后，由于水泵出口阀全开，消除了阀门因节流而产生的噪音，改善了工人的工作环境。同时，克服了平常因调节阀故障对生产带来的影响，具有显著的社会效益。

（4）提高设备工作稳定性。系统采用闭环控制，参数超调波动范围小，偏差能及时进行控制。变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节，控制精度高，能保证生产工艺稳定，提高了供水的质量和产量。而且变频调速器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能，提高了电机水泵运行的可靠性。

6 、结语

汕头市澄海区第一水厂全自动变频调压PLC控制系统投入运行4年来，用户的使用经验表明，系统具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠、改善操作人员操作环境等优点。在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高水厂生产率、降低能耗、降低生产成本、提高经济效益具有重大的现实意义。