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一拖二恒压供水控制系统中的PLC与变频器
xiao_xiao1 发表于 2008/12/5 12:10:39 431 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 引言
变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，因其具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点而受到越来越多的企业的青睐，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果给众多的企业带来了巨大的经济效益。特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身已非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制器(PLC)由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员的欢迎。
(1) 可靠性高，抗干扰能力强
其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。
(2) 适应性强，应用灵活
多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。
(3) 编程方便，易于使用
梯形图语言和顺控流程图语言(Sequential Function Chart)使编程简单方便。
(4) 控制系统设计、安装、调试方便
设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。
(5) 维修方便，工作量小
PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理。
(6) 功能完善
除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。
由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。
2 系统构成及控制方案
2.1 系统构成
一拖二(一台变频器控制两台电机)变频恒压供水控制系统由变频器、信号采集及处理系统和控制系统3部分组成。
(1) 变频器
此系统对变频器的要求不高，现有国内外各品牌变频器基本都能满足技术要求，在此我们以西门子MM430变频器为例。此变频器经过几番更新换代，质量更加可靠、性能更加稳定，与国外其他品牌相比性能价格比较高。只是此变频器多功能数字输入端子没有对两路模拟输入信号的切换功能，只能通过外部继电器切换。
(2) 信号采集及处理系统
该系统主要由传感器及PID调节器等组成，对就地采集的信号进行处理和转换，为控制系统提供一个准确可利用的信号。
(3) 控制系统
该控制系统由按钮、继电器、PLC等电子电气元件组成。该系统作为变频调速控制主体，可控制水泵的起停、加减速运转以及泵间的相互切换等。主要电气元件均采用西门子产品。SIMATIC S7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用;大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间组合以用于扩展;简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活;方便用户和简易的无风扇设计;当控制任务增加时，可以自由扩展;大范围的集成功能使得它的功能非常强劲。多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。考虑其性能和点数，系统选用西门子S7-224继电器输入输出型。
2.2 控制系统方案
为了实现恒压力供水的目的，系统采用闭环控制，同时考虑系统的安全性，附加开环控制，作为备用。开环、闭环之间可以方便的进行转换。压力传感器进行实时检测，并将检测到的管道水压信号经过转换后传送给PID调节器，PID调节器将此信号与给定值进行比较后，经过一系列的运算将输出一个标准的控制信号给本系统的执行器－变频器，变频器根据调节器输出信号的变化来改变其输出频率，进而改变水泵电机的转速，以此来控制出水量的大小。由于变频器的输出频率在0~50Hz范围内连续可调，当用水量较小时，水泵维持低速运行，当用水量增大致使压力降低时，变频器输出频率会一直上升到50Hz时,因此当压力发生变化时，系统会自动调节出口水量，使压力始终在设定值附近波动並最终达到设定值，从而实现了恒压力供水的目的。
(1) 系统功能
可以根据需要，设定压力值，系统自动进行循环启动，实现恒压供水，系统的响应速度快，稳定性好;
系统设有手动、自动控制模式:在手动方式下，由工人根据压力表显示的情况，进行手动启动，并且可以设定由工频启动还是变频启动;在自动方式下，完全根据压力设定值进行循环启停泵操作;
可以在线切换手动、自动控制模式:当系统在自动方式下完全启动以后，可以不停机直接切换到手动状态下运行;
每台泵都设有变频/工频两种状态，在自动运行模式下，任一台泵只有处于变频状态，才能由PLC控制进入循环软启序列;
具有显示报警功能,系统设置有各种显示功能，可以显示电压、电流、压力、变频器输出频率、电机转速等参数，同时设置各种保护功能，如过流保护、过压保护、过载保护、欠压保护等。
(2) 工作原理
在自动运行模式下，通过人为设定所需的压力，启动系统后，控制系统通过变频器启动一台处于变频状态的水泵电机。当电机达到满速以后，如果检测压力仍达不到设定要求，控制系统会自动地将该泵由变频切换到工频，然后由变频器自动启动另外一台处于变频状态的水泵电机。当检测到的压力值偏高且变频器运转在下限频率时，则第一台工频运行的水泵电机将自动停机;若再需加泵时，控制系统会自动将变频运行的水泵切换至工频运行，然后再变频启动另外一台处于变频状态的备用泵;以此顺序运行，直到出口压力达到设定的要求值。
在手动运行模式下，由人工根据压力表显示的压力情况进行现场手动启动单台泵，并且可以设定是由工频启动还是由变频启动。对于变频运行泵，可以通过手调信号给定电位器来调节水泵电机转速的快慢。
此系统优点是自动调节供水动力范围大，不用经常人工起停水泵，因而自动化程度高，减小了电机长期满负荷运转所造成的磨损，延长了设备的使用寿命。
(3) 控制系统原理图
此系统中，PLC作为系统的控制核心，起着至关重要的作用。尤其变频自动加减泵的过程，关系到系统的安全和调节的平滑性，在编程的过程中应该注意。其原理图如图1所示。
图1 PLC控制系统原理图
变频器及控制系统的其它电子电气元件作为本系统的执行机构，作为变频调速控制主体，可控制水泵的起停、加减速运转以及泵间的相互切换等。其原理图如图2所示。
图2 变频器切换控制原理图
3 节能原理
水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比，因此，水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。
由此可知，当要求出水量减少时，可使电机转速降低，而电机转速微量减少，将使功率大幅下降，节能效果十分明显。本变频调速系统经过优化设计，精心的设备选型，合理的编程，配合正确的信号给定，使得电机始终处于最佳运行状态，节能挖潜得到了最大的发挥。
4 投资回报及效益分析
4.1 直接效益
水泵恒压供水避免了开关阀门造成的节流损失和关闭阀门运行时电机所做的无用功，按每年运行300天阀门平均开度80%计算，22kW电机年节电量可做如下计算:
W＝22×[1-(0.8)3]×24×300=7.79万kWh
电费单价按0.40元/kWh计算,全年可节约电费
M=7.79×0.40=3.116万元
4.2 间接效益
(1) 水泵进行变频调速改造以后，由于系统采用软启动连续变速运行，减少了对水泵的磨损，大大延长了设备使用寿命和维修周期，减少了维修费用和由此带来的直接经济损失;
(2) 系统采取过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因电机烧损而影响生产所带来的直接和间接经济损失。
5 结束语
用变频调速和PLC来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是:起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。本系统经多年应用与完善，性能优越，安全方便，深得用户好评。