一拖二恒壓供水設(shè)備控制系統(tǒng)中的PLC與變頻器工作原理
時(shí)間：2013/5/6 來源：浙江揚(yáng)子江泵業(yè)有限公司
1 引言
變頻調(diào)速技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展起來的比以往任何調(diào)速方法更加優(yōu)越的新技術(shù)，因其具有節(jié)能效果明顯、調(diào)速曲線平滑、調(diào)速過程簡單、安全可靠、保護(hù)功能齊全、起動(dòng)性能優(yōu)越、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)而受到越來越多的企業(yè)的青睞，被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)控制過程中的任何場合，顯著的節(jié)能效果給眾多的企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。特別是近幾年來隨著IGBT功率元件和DSP微處理系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用，變頻器本身已非常成熟，使得變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性更加突出，傳動(dòng)效率越來越高，使用越來越方便，可靠性也得到了進(jìn)一步的提高。
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同�？删幊炭刂破�(PLC)由于具有以下特點(diǎn)而深受工廠工程技術(shù)人員的歡迎。
(1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
其平均無故障時(shí)間大大超過IEC規(guī)定的10萬小時(shí)，同時(shí)，有些PLC還采用了冗余設(shè)計(jì)和差異設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了其可靠性。
(2) 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活
多數(shù)采用模塊式的硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴(kuò)展方便。
(3) 編程方便，易于使用
梯形圖語言和順控流程圖語言(Sequential Function Chart)使編程簡單方便。
(4) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便
設(shè)計(jì)人員只要有PLC就可進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試。
(5) 維修方便，工作量小
PLC有完善的自診斷、歷史資料存儲及監(jiān)視功能，工作人員可以方便的查出故障原因，迅速處理。
(6) 功能完善
除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外，配合特殊功能塊，還可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、PID運(yùn)算、過程控制、數(shù)字控制等功能，既方便工廠管理又可與上位機(jī)通信，通過遠(yuǎn)程模塊還可以控制遠(yuǎn)方設(shè)備。
由于具有以上特點(diǎn)，使得PLC的應(yīng)用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠、有控制要求，就會有PLC的應(yīng)用。
2 系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
一拖二(一臺變頻器控制兩臺電機(jī))變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由變頻器、信號采集及處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分組成。
(1) 變頻器
此系統(tǒng)對變頻器的要求不高，現(xiàn)有國內(nèi)外各品牌變頻器基本都能滿足技術(shù)要求，在此我們以西門子MM430變頻器為例。此變頻器經(jīng)過幾番更新?lián)Q代，質(zhì)量更加可靠、性能更加穩(wěn)定，與國外其他品牌相比性能價(jià)格比較高。只是此變頻器多功能數(shù)字輸入端子沒有對兩路模擬輸入信號的切換功能，只能通過外部繼電器切換。
(2) 信號采集及處理系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要由傳感器及PID調(diào)節(jié)器等組成，對就地采集的信號進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，為控制系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確可利用的信號。
(3) 控制系統(tǒng)
該控制系統(tǒng)由按鈕、繼電器、PLC等電子電氣元件組成。該系統(tǒng)作為變頻調(diào)速控制主體，可控制水泵的起停、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)以及泵間的相互切換等。主要電氣元件均采用西門子產(chǎn)品。SIMATIC S7-200可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用;大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之間組合以用于擴(kuò)展;簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活;方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計(jì);當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可以自由擴(kuò)展;大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。多種的性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大，可隨時(shí)使用附加模塊對PLC進(jìn)行擴(kuò)展。考慮其性能和點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)選用西門子S7-224繼電器輸入輸出型。
2.2 控制系統(tǒng)方案
為了實(shí)現(xiàn)恒壓力供水的目的，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，同時(shí)考慮系統(tǒng)的安全性，附加開環(huán)控制，作為備用。開環(huán)、閉環(huán)之間可以方便的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測到的管道水壓信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳送給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器將此信號與給定值進(jìn)行比較后，經(jīng)過一系列的運(yùn)算將輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的控制信號給本系統(tǒng)的執(zhí)行器－變頻器，變頻器根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出信號的變化來改變其輸出頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來控制出水量的大小。由于變頻器的輸出頻率在0~50Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，當(dāng)用水量較小時(shí)，水泵維持低速運(yùn)行，當(dāng)用水量增大致使壓力降低時(shí)，變頻器輸出頻率會一直上升到50Hz時(shí),因此當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)， 系統(tǒng)會自動(dòng)調(diào)節(jié)出口水量，使壓力始終在設(shè)定值附近波動(dòng)並終達(dá)到設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)了恒壓力供水的目的。
(1) 系統(tǒng)功能
可以根據(jù)需要，設(shè)定壓力值，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行循環(huán)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好;
系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)控制模式:在手動(dòng)方式下，由工人根據(jù)壓力表顯示的情況，進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)，并且可以設(shè)定由工頻啟動(dòng)還是變頻啟動(dòng);在自動(dòng)方式下，完全根據(jù)壓力設(shè)定值進(jìn)行循環(huán)啟停泵操作;
可以在線切換手動(dòng)、自動(dòng)控制模式:當(dāng)系統(tǒng)在自動(dòng)方式下完全啟動(dòng)以后，可以不停機(jī)直接切換到手動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行;
每臺泵都設(shè)有變頻/工頻兩種狀態(tài)，在自動(dòng)運(yùn)行模式下，任一臺泵只有處于變頻狀態(tài)，才能由PLC控制進(jìn)入循環(huán)軟啟序列;
具有顯示報(bào)警功能,系統(tǒng)設(shè)置有各種顯示功能，可以顯示電壓、電流、壓力、變頻器輸出頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，同時(shí)設(shè)置各種保護(hù)功能，如過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)等。
(2) 工作原理
在自動(dòng)運(yùn)行模式下，通過人為設(shè)定所需的壓力，啟動(dòng)系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)通過變頻器啟動(dòng)一臺處于變頻狀態(tài)的水泵電機(jī)。當(dāng)電機(jī)達(dá)到滿速以后，如果檢測壓力仍達(dá)不到設(shè)定要求，控制系統(tǒng)會自動(dòng)地將該泵由變頻切換到工頻，然后由變頻器自動(dòng)啟動(dòng)另外一臺處于變頻狀態(tài)的水泵電機(jī)。當(dāng)檢測到的壓力值偏高且變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)在下限頻率時(shí)，則第一臺工頻運(yùn)行的水泵電機(jī)將自動(dòng)停機(jī);若再需加泵時(shí)，控制系統(tǒng)會自動(dòng)將變頻運(yùn)行的水泵切換至工頻運(yùn)行，然后再變頻啟動(dòng)另外一臺處于變頻狀態(tài)的備用泵;以此順序運(yùn)行，直到出口壓力達(dá)到設(shè)定的要求值。
在手動(dòng)運(yùn)行模式下，由人工根據(jù)壓力表顯示的壓力情況進(jìn)行現(xiàn)場手動(dòng)啟動(dòng)單臺泵，并且可以設(shè)定是由工頻啟動(dòng)還是由變頻啟動(dòng)。對于變頻運(yùn)行泵，可以通過手調(diào)信號給定電位器來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。
此系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)調(diào)節(jié)供水動(dòng)力范圍大，不用經(jīng)常人工起停水泵，因而自動(dòng)化程度高，減小了電機(jī)長期滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的磨損，延長了設(shè)備的使用壽命。
(3) 控制系統(tǒng)原理圖 此系統(tǒng)中，PLC作為系統(tǒng)的控制核心，起著至關(guān)重要的作用。尤其變頻自動(dòng)加減泵的過程，關(guān)系到系統(tǒng)的安全和調(diào)節(jié)的平滑性，在編程的過程中應(yīng)該注意。其原理圖如圖1所示。
圖1 PLC控制系統(tǒng)原理圖
變頻器及控制系統(tǒng)的其它電子電氣元件作為本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為變頻調(diào)速控制主體，可控制水泵的起停、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)以及泵間的相互切換等。其原理圖如圖2所示。
圖2 變頻器切換控制原理圖
3 節(jié)能原理
水泵為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即水泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積成正比，因此，水泵的軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比。
由此可知，當(dāng)要求出水量減少時(shí)，可使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，而電機(jī)轉(zhuǎn)速微量減少，將使功率大幅下降，節(jié)能效果十分明顯。本變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，精心的設(shè)備選型，合理的編程，配合正確的信號給定，使得電機(jī)始終處于佳運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能挖潛得到了大的發(fā)揮。
4 投資回報(bào)及效益分析
4.1 直接效益
水泵恒壓供水避免了開關(guān)閥門造成的節(jié)流損失和關(guān)閉閥門運(yùn)行時(shí)電機(jī)所做的無用功，按每年運(yùn)行300天閥門平均開度80%計(jì)算，22kW電機(jī)年節(jié)電量可做如下計(jì)算:
W＝22×[1-(0.8)3]×24×300=7.79萬kWh
電費(fèi)單價(jià)按0.40元/kWh計(jì)算,全年可節(jié)約電費(fèi)
M=7.79×0.40=3.116萬元
4.2 間接效益
(1) 水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造以后，由于系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)連續(xù)變速運(yùn)行，減少了對水泵的磨損，大大延長了設(shè)備使用壽命和維修周期，減少了維修費(fèi)用和由此帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失;
(2) 系統(tǒng)采取過流、過壓、瞬時(shí)斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護(hù)，避免了因電機(jī)燒損而影響生產(chǎn)所帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。
5 結(jié)束語
用變頻調(diào)速和PLC來實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)恒壓供水相比較，節(jié)能效果十分顯著。其優(yōu)點(diǎn)是:起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊;由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng);在鍋爐和其他燃燒重油的場合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對環(huán)境的污染。本系統(tǒng)經(jīng)多年應(yīng)用與完善，性能優(yōu)越，安全方便，深得用戶好評。
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