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1 引言 汕头市澄海区第一水厂送水泵（water pump）房共有六台送水机泵，包括(bāo kuò)55k W、75k W、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(start up)和停止(stop)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（control)。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(Energy saving)技术。 2 全自动变频调压PLC控制系统介绍 全自动变频调压PLC控制系统(system)主要由一套可编程控制器(Controller)PLC和一台变频器组成。恒压供水设备是一种水利系统的供水方式。供水是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。恒压供水设备能够保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。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(adjust)参量，控制变频器输出频率从而控制水泵（water pump）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(xuanze)不同的工作方式。手动时，频率输出(Output)由变频器（Variable-frequency Drive)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 全自动变频调压PLC控制系统特点 (1)自动(automatic)控制（control)水泵（water pump）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 全自动变频调压PLC控制系统(system)变频调压的节能原理 为适应用户用水量的变化，调节(adjust)出水流量，现通常采用两种方法来完成流量的连续调节。二次供水设备广泛用于企事业单位、住宅区及农村的生产、生活、办公用水。供水户在20－2000户。日供水量在20－50000m3，供水高度达150米，即50层楼房。一种是利用控制阀(Control valve)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&rsquo；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（指物体在单位时间内所做的功的多少）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。供水设备从根本上解决了水塔供水的问题。据“供水设备推广中心”的资料显示，供水设备不需建造水塔，投资小、占地少，采用水气自动调节、自动运转、节能与自来水自动并网，停电后仍可供水，调试后数年不需看管。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(jié yuē)40%的电耗。 5 全自动变频调压PLC控制系统投资效果 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(Produce)工艺稳定（解释:稳固安定；没有变动)，可产生明显的经济效益。 根据用户(user)统计，月平均节约电能30000kWh，按工业(gōng yè)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常常性的强烈冲击，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(adjust)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(shèbèi)工作(gōng zuò)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(automatic)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(Energy saving)效果(xiàoguǒ)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(electronic)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(Produce)率、降低（reduce)能耗、降低生产成本、提高经济效益具有重大的现实意义。 |
