硅谷雜志:PLC控制變頻器實現變頻恒壓自動供水設備高效性能
硅谷雜志:PLC控制變頻器實現變頻恒壓自動供水設備高效性能
據《硅谷》雜志2012年第21期刊文稱,PLC自動控制供水設備是在繼電器控制供水設備的基礎上,利用PLC取代通用繼電器、定時器控制的最新技術。而變頻調速器目前也因其比傳統的高位水箱、水塔等供水方式,有諸多優(yōu)勢。而成為恒壓供水設備的主體。茂名市自來水公司河東水廠利用PLC控制變頻器實現自動恒壓供水安全運行六年,效果良好。
茂名市自來水公司河東水廠供水泵房95年投入生產,日處理水量20萬t/d,現階段,采用的控制系統就是可編程控制器(簡稱PLC)控制變頻調速技術,投入生產以來運行狀況良好,收到良好的經濟效益。
1變頻恒壓自動供水設備的構成及基本工作原理
1.1變頻恒壓自動供水設備的構成
河東水廠供水泵房采用一臺變頻器(660V500KW),控制的變頻電機是(10KV450KW),一臺可編程控制器及一些輔助電氣控制元件,和現場的六臺(10KV450KW)水泵機組、出廠壓力傳感器一起組成一個完整的閉環(huán)自動控制系統。變頻器采用ABB公司生產的ACS600型變頻器,帶有DTC直接轉矩控制,靜態(tài)速度控制精度為標稱速度的0.1%到0.5%,它還具有多種保護功能,控制盤上可以同時顯示4行功能信息,每行20個字符,有四種快速編程語言可供選擇,ACS600內部建立的應用宏意味著你只需按鍵就可以選擇相應的宏,帶有文字顯示的控制盤使你不必查書中的代碼就可進行快速編程,所有的參數被分成邏輯組,操作方便。PLC用的是THYSSEN公司產品,由于考慮到今后的發(fā)展我們采用的是模臺塊式結構,這樣的好處是配置靈活,裝配方便,便于擴展和維修。
1.2變頻恒壓自動供水設備工作原理:
該變頻恒壓自動供水設備系統的工作原理,如圖1所示,在出廠管上安裝一壓力。
傳感器,出廠水壓通過變送器輸出4~20mA信號,此信號由PLC采樣并與壓力設定信號比較,求出其偏差。PLC控制程序根據偏差的大小再經PID運算,最后通過模擬輸出口,輸出一個控制電流4~20mA信號,此控制信號改變了變頻調速器的輸出頻率,從而改變了水泵電機的轉速。減少壓力偏差E=PS(設定值)—PC(出廠壓力),當壓力偏差E為正值并持續(xù)時間T>6秒,同時變頻調速器的輸出頻率FC=50HZ持續(xù)時間T>5秒時,PLC進行檢測定速泵的運行時間,按時間少的順序啟動定速泵,相反E為負值持續(xù)時間T>6秒、FC達到最低設定值持續(xù)時間T>5秒時,按運行時間多的順序停止定速泵運行,經反復調節(jié)最終使管網出口壓力與設定值保持一致,壓力偏差E=0,實現了恒壓變量自動供水。
另外,可以通過中控室計算機對泵房的工作情況進行監(jiān)控,把配套恒壓供水設備的壓力信號、水廠供水的流量信號和水泵工作的電流、電壓、功率信號,通過數據轉換傳送到計算機內,PLC之間采用光纜通訊,在計算機上可畫出各種參數的控制曲線和數據統計報表,并將當前數據存儲起來,留作打印或以后查詢之用,從而也提高了水廠的自動化管理水平。
2 PLC控制變頻恒壓自動供水設備節(jié)電效果分析
在供水行業(yè)中,電能是在企業(yè)成本管理中最有挖掘潛力的一項,茂名市河東水廠多年來始終把節(jié)能降耗工作放在首位,并把耗電大戶供水泵房作為重點來抓,根據我廠的工藝流程,工程技術人員不段的采用新技術進行積極的探索。在所有的供水泵房系統操作中,管網壓力是由水泵通過電動機的拖動產生的。
根據流量Q與流量阻力h按阻力定律變化,
即:h=R×Q2(1)
水泵的功率N與水泵的揚程和流量成正比,
即:N=H×Q×r/102(千瓦)(2)
式中:r-水的重度(公斤/立方米)H-水泵的揚程(米)
Q-水泵的流量(立方米/時)
從(2)水泵的H—Q曲線與(1)管網的阻力曲線相交,得出特性曲線圖2可見,若水泵額定轉速為n1,當出口閥門全開時,管道阻力為R1,這時的流量為Q1、揚程為H1,水泵的工作在K1點效率最高,此時水泵功率N是Q1和H1的乘積與矩形H1-K1-Q1-O的面積成正比,如:當關小了
水泵出口閥門的開度,而當流量減少為Q2時(如效率50%),系統由原來的
工況點K1變到新的工況點K2,這時管道的阻力增加為R2,揚程H1升高到H2,原矩形面積變?yōu)榫匦蜨2-K2-Q2-O面積,兩個矩形的面積相差不大,說明通過調整閥門開度來改變流量,水泵的功耗變化不大。換句話說,通過開關閥門進行節(jié)流調節(jié),并不能使功耗有效地減少。
那么,在供水系統中,通過什么途徑能達到節(jié)能目的呢?我們知道,通常供水系統運行中,隨著用水量的變化,相應有供水量的變化,從流量Q1減少到Q2,我們只需采用變頻調速器改變交流電的頻率,電動機的轉速就按比例變動,電動機的轉速n與電源頻率f的關系如下式所示:
n=60×f×(1-S)/P
式中:P-極對數;S-轉差數。
從n1變?yōu)閚2,流量由Q1減少到Q2時,管網阻力特性曲線R1維持不變,水泵由工況點K1變到新的工況點K3點,揚程H1大幅度下降H3,矩形H1-K1-Q1-O面積減少為矩形H3-K3-Q3-O的面積,兩個矩形面積相差許多,節(jié)省的功率損耗N與面積H3-K3-Q3-O成正比,水泵軸功率與其轉速的三次方成正比,即P2=P1(n1/n2)3,水泵功率N顯著下降。ACS600變頻器DTC提供精確的轉矩控制,當電動機的轉速下降時,DTC控制電機轉矩平穩(wěn)的降低,電流明顯降低,其功耗大幅度減少。所以,在供水系統中采用變頻調速,可以在流量變化運行時,節(jié)約電能,多年來的運行,我們研究發(fā)現在流量變化較大時,其節(jié)能效果十分可觀。從水泵的特性曲線可以得知,改變水泵轉數n可以有效的改變水泵的功耗。有一種液力偶合調速器也可以有效的調節(jié)水泵的轉數,其過程控制原理為液力偶合調速器通過調節(jié)偶合介質來改變輸出速度,當水泵由n1轉為n2得知水泵的功耗大幅降低,但電機的轉數n1并沒有變,電機同樣是在額定功率運轉,雖然實現了自動恒壓供水,但節(jié)能效果并沒有明顯體現出來。3技術性能
PLC控制變頻調速實現全自動恒壓供水是調節(jié)供水的一項新技術,已經在供水行業(yè)中得到了廣泛的應用,茂名市河東水廠變頻恒壓自動供水設備系統,運行六年來,技術性能穩(wěn)定,效果較好,其中:
1)設備的利用率均衡,茂名市河東水廠供水泵房,在運行過程中定速泵的啟動是通過計算機檢測運行時間進行啟動,這樣就避免了設備利用不均衡的現象。
2)保護功能完善,當水泵、控制系統、變頻器發(fā)生故障時,在上位機都會發(fā)出聲光報警信號,并記錄、打印。
3)當個別定速泵發(fā)生故障不能起動時,系統也不會停止供水,在系統發(fā)出報警的同時,會按時間選擇起動另一臺定速泵,保證供水。
4)控制系統可靠,在上位機采用兩種控制方式:一種是PLC控制,即按編程控制,二種是VDU控制,就是在計算機上進行手動調節(jié)。
5)有完善的管網保護系統,PLC通過模擬量輸入信號檢測的方法檢測出實際壓力值,然后根據所設定壓力上/下限值進行管網超壓/欠壓的故障判斷,并完成相應的系統故障報警。而且,當主管線爆裂,泵機出口壓力突然降低至3bar時,系統會停止供水。這就有利于實現對管網系統的良好保護,進一步提高供水系統設備使用壽命。
6)系統的缺點是,系統選擇一臺變頻泵,定速泵的流量、揚程相同,在壓力設置不當時,會產生控制盲區(qū)。即:系統供水壓力達不到設定壓力,起動一臺定速泵又壓力偏高,從而造成定速泵頻繁起動。
4 小結
1)PLC自動控制供水設備是在繼電器控制供水設備的基礎上,利用PLC取代通用繼電器、定時器控制的最新技術,可編程控制器的特點是功能強、操作靈活、使用方便、抗干擾能力強、可靠性高、體積小、能耗低,適合在工業(yè)環(huán)境下應用。
2)目前變頻調速器已成為恒壓供水設備的主體,它不僅可以完全取代傳統的高位水箱、水塔等供水方式,而且也消除水質的二次污染,更具有節(jié)省能源、自動化程度高、供水操作方便、提高經濟效益等優(yōu)點。
3)變頻器在供水上的應用,能夠減少管網壓力的波動,使管網壓力趨于平穩(wěn),PLC參與控制,使全自動恒壓供水系統更加智能化,更加完善,可靠性高,穩(wěn)定性好,響應快,從而降低員工的勞動強度。茂名市自來水公司河東水廠全自動恒壓供水系統的應用,不僅產生巨大的經濟效益,也促進了企業(yè)的技術進步。
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