随着国民经济的快速发展,“节能、环保”等已成为各行业研究的重要内容.水泵电机作为以“电能”为能源,以输出力矩驱动水资源的分配、调度的动力载体,在现代工业、农业等各行业中发挥着非常重要的作用.但由于常规的“阀门静态”调节方式下,水泵电机始终工作在额定工况下,不仅能源消耗较高、能源损耗较严重,且电机长期属于大电流运行状态,发热量长期积累,降低了电机的绝缘性能,影响其综合使用寿命.在现代“节能、环保”的工业、农业发展背景下,如何充分结合现有的计算机技术、现代电子技术和集成控制技术,提高供水管网的供水控制安全性、可靠性和节能经济性,已成为工程师探讨的重要内容.PLC+变频节能调速控制技术,充分结合了PLC集控控制功能和动态变频调节功能,能够动态采集供水管网的实时波动压力数据对水泵电机进行动态调控,自动化供水调节水平较高且节能效果也十分明显,非常具有工程实践应用研究意义.

由于使用一般继电器的水泵电机会对电和水能产生的浪费、且工作效能不稳定、系统兼容性较差等问题,通过调速达到节能减耗调控性能的效果,开发出一种通过PLC与变频器相组合的变频调速节能调控的水泵电机控制系统.实践应用效果表明：利用变频器和PLC相组合,可以根据管网供水的实时波动压力数据,利用PID频率单元调节电机实时电源频率及输出力矩,来达到对供水管网给水量的动态调节,具有良好的节能降耗和智能调控性能.

一、供水系统通过变频调速控制节能的原理      PLC+变频调速控制系统,在水泵电机控制应用中取得了非常好的调控和节能效果,其主要利用供水管网输出口的压力传感器(信号器),实时采集供水管网的运行压力,并经控制回路将信号传输到变频器中,经DSP单元运算分析后与系统预设定的压力信号进行“偏差对比”,一旦发现存在压力偏差时,就会自动调节水泵电机的输入端电源频率,增大或减小水泵的输出力矩,使整个供水管道中的水压始终保持预设压力值或处于较小波动范围,其主要控制流程为：管网供水实时压力信号(s)→变频器DSP运算(与预设压力值进行比差计算)→形成压力偏差(ΔP)→水泵电机电源频率调节(f)→水泵输出力矩调节(转速)(v)→供水管网流量调节(ΔQ)的实时动态循环调节,最终实现供水管网压力始终保持在节能运行工况,达到节能动态调控目的.

二、基于可编程控制器件与恒压供水系统整体方案

在供水管网压力波动时,为了能够通过PLC+变频器控制系统内部自动调节实现供需间的动态稳定调节平衡,确保水泵电机始终运行在高效稳定的运行工况区域,就需要利用安装在供水管网输入端的水压传感器(信号器)实时采集供水管网的实时波动的水压信号,并经内部闭环反馈网络将供水管网实时的水压偏差信号(ΔP)经控制回路传输给变频器和PLC控制器,利用PLC实现控制系统的启动/关闭,利用变频器内部DSP

数据处理单元与系统预先设定的压力信号进行对比,获得对应的压力偏差信号的电源频率值,动态调节水泵电机的输出力矩完成供水系统的动态平衡调节. SAI670变频器、PLC、水泵电机、供电电源开关、供水管网水压传感器等电气设备单元共同组成闭环反馈的循环调节系统.为了充分运用所选的电气设备,降低系统成本,此处采用1台变频器同时控制M1和M2两个水泵电机,实现变频系统的动态调节,,M1和M2两个水泵电机按照“明备用”方式进行相互备用,即当“工作水泵M1”存在故障时,“备用水泵M2”自动启动完成供水,确保供水具有较高的安全性.电路中KH1~KH2为热继电器、QF1~QF4为真空开关,通过热继电器、真空开关等电气设备的相互组合,可以在电机存在故障或事故时动作保护.

当要启动水泵电机向供水管网供水时,运行人员只需通过控制面板上的“启动”按钮,启动PLC控制系统,然后经信号回路动态采集供水管网输入端的水压传感器(信号器)信号,并经A/D(模/数)转换单元获得变频器可以识别的4~20MA数字信号,然后将所获得的水压信号与系统预设定的“目标压力”信号进行PID调节运行分析,形成对应的压力偏差电源频率信号,输出作用在电机电源转换为力矩变化完成水量的动态调节,实现恒压节能供水.

为了提高控制系统调控的灵活性和可靠性,当供水管网的供水压力长期处于稳定状态时,PLC控制器会自动调节“工作水泵M1”的运行工况,将其从“变频调速控制”切换到“工频运行工况”,让其处于工频状态下运行.如果工作水泵切换到工频运行工况下,依然不能满足供水管网供水压力需求时,则系统按照预设定的控制流程,自动启动“备用水泵M2”,通过两个水泵的相互备用和运行工况的切换,提高供水管网的供水安全可靠性.另外,为了确保控制系统具有较高的安全可靠性,充分利用PLC和变频器设备的自检功能,自动运算分析控制系统内部功能单元是否存在安全隐患或故障,如果存在则及时通过声、光等信号形式提供运行人员及时查看相关单元,合理采取有效的处理措施快速排除故障.另外,工作人员还需要按照相关的检修维护计划,及时查看控制系统各功能单元的实时运行工况状态,如果存在安全隐患或故障,应及时处理,确保供水具有较高的安全可靠性和优质服务水平.

三、供水系统恒压节能改造使用效果分析

某抽水泵站装有两台功率为185 kW的水泵,为了保障供水系统安全稳定、节能经济的运行,两台水泵采用明备用(即采用1用1备)的运行模式.历史运行记录数据表明,供水系统的两台水泵在功率选择过程时按照最大供水量要求进行水泵参数选择,而在实际运行过程中,由于供水系统绝大部分时间处于65%运行工况,也就是供水系统中的实际供水水量平时要远远大于供水系统自身需要的消耗量,这样势必会造成大量的电能和水能资源浪费.同时,水泵电机长期处于额定运行工况,发热量增加造成电机绝缘性能不断下降而影响使用

按照变频调速原理,结合供水系统实际情况可得电机的理想转速为510 r/min,功率在98 kW.若按照电机常年运行300天进行计算,设备每天运行工作16小时进行损耗分析.则对该抽水泵站185 kW水泵电机采取PLC与变频器进行节能升级改造后,其可以获得的理论节电率为：(185 kW-101 kW)/185 kW×100%等于45.4%

从上述计算可知,该水泵电机具有45.4%的节能潜力.如按工业电费0.95元/度进行估算,则采用PLC与变频器对水泵电机进行节能升级改造后,按照80%的有效转换效率进行计算,其一年理论可以获得的节约电能成本为：M等于(185 kW-101 kW)×300×16×80%等于32.25(万元)

也就是说通过PLC与变频节能调速升级改造后,水泵电机每年可以节省的理论经济论文范文大约为32.25万元,大大降低了水泵的运行维护论文范文.另外,采用PLC+节能改造后,水泵电机在启动过程中,会受到变频器自身的变频保护,启动电流大幅度降低,确保水泵电机具有较高的绝缘性能,保证供水系统具有较高的安全可靠、节能经济的运行特性.

利用现有的计算机技术与电子技术和集成控制技术等技术,合理使用PLC和变频器等控制单元,结合变频调节节能控制系统,可以利用变频器内部DSP运算系统和PID调节计算,获得数据实时动态调节频率偏差信号,并作用在电机输出电源力矩上,保证供水系统输入与输出能量的动态平衡,具有较高的节能效果.本文采用PLC+变频器对某抽水泵站185 kW水泵电机进行节能升级改造,其获得理论节电率高达45.4%,每年可以节约电能成本32.25万元,其环保节能节省成本非常显著。