基于PLC與變頻技術的節能應用研究
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本文的內容是結合PLC和變頻器的功能，實現對送水泵房的恒壓供水系統控制；系統采用變頻調速方式自動調節水泵電機的速度，利用PLC的PID的自動調節功能控制變頻器，形成以壓力為閉環的控制系統，從而實現恒壓供水，而水組泵的啟動和停止可以通過自動和手動來實現，該系統運行可靠，抗干擾性強，且具有較強的節能性。但在自動控制的實現過程中，系統還存在很多技術問題，結合一些實際配置過程與大家一起探討。
2 系統組成
PLC-變頻器和軟啟動器控制系統由1個PLC控制站、2臺變頻器、3臺軟啟動器、壓力變送器、綜合保護器、液位計及5臺水泵等組成。5臺水泵的流量是12000m3/h，電機為132kW，兩臺變頻器控制兩個水泵，三臺軟啟動器控制另外三臺水泵。在出水總管上安裝有壓力變送器探測管網的壓力，在清水蓄水池裝有液位計，檢測水池的液位并將信號送至PLC。每臺水泵都配有1臺的綜合保護器（安裝在變頻器或軟啟動機柜內）。變頻器采用西門子公司的MICROMASTER（MM440），PLC采用西門子公司的GE的可編程序控制器，出水總管上配備E+H公司的FT-1壓力傳感器和清水蓄水池FT-1E液位傳感器。
3 系統控制原理
通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PLC，經PLC運算與給定的壓力進行比較，得出一比較參數，送給變頻器，由變頻器控制電機的轉速，調節系統的供水量，使供水管網上的壓力保持在給定的壓力上，當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制切換器進行加泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵的數量增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。此外，系統還設有多種保護功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無極調速，從而使管網水壓連續變化。壓力傳感器的任務是檢測管網水壓，壓力設定單元為系統提供滿足用戶需求的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。當供水設備啟動時，先啟動變頻泵，管網水壓達到設定值時，變頻器的輸出頻率則穩定在這一數值上。而當用水量增加，水壓降低時，傳感器將這一信號送入可編程控制器，可編程控制器送出一個用水量增大的模擬信號，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉速提高，水壓上升。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達到最大值，仍不能使管網水壓達到設定值，可編程序控制器就發出控制信號，啟動一臺工頻泵，其他泵依次類推。反之，當用水量減少，變頻器的輸出頻率低于某一值（一般為30Hz左右）時，管網的壓力仍高于給定的壓力，PLC也自動啟動計時器，在一定的時間段內，如果壓力仍高于給定值，PLC就自動停止一臺工頻泵的，直至壓力降低為止，其他泵依次類推。
4 PLC的配置及PID程序設計
根據用戶需求，對控制器PLC的硬件配置如下，CPU模塊采用IC200CPUE05，帶2個串口的CPU，內含以太網接口，數字量輸入（DI）采用IC200MDL640模塊，數字量輸出（DO）采用IC200MDL740模塊，模擬量輸入（AI）采用IC200ALG240模塊，模擬量輸出（AO）采用IC200ALG230模塊。在現場實際中，數字量輸入輸出（DI/DO），模擬量輸入輸出（AI/AO）都有冗余，以備系統臨時擴充需要。觸摸屏采用深圳威倫通10.4寸TFT65536色的MT6104T。上位機監控系統使用一臺工程師站和一臺操作員站。兩臺工業計算機分別采用以太網絡完成計算機與PLC主站之間的數據通訊。操作員站的畫面組態軟件選用GE Cimplicity組態軟件完成用戶二次軟件的開發。
PID控制各校正環節主要作用如下：
（1）比例環節：比例的增大等價于系統開環增益的增加，會引起系統響應速度，穩態誤差減少，超調量增加。當比例過大時，會使閉環系統不穩定。
（2）積分環節：相當于增加系統積分環節，主要作用是消除系統穩態誤差。積分環節作用的強弱取決于積分常數積分。微分增大，系統超調量減小，但響應速度變慢。
（3）微分環節：主要作用是提高系統響應速度，同時減小超調量。抵消系統慣性環節的滯后不良作用，使系統穩定性明顯改善。微分過大或過小都會使超調量增加，調節時間加長。由于該環節所產生的控制量與信號變化速率有關，故對信號無明顯變化或變化緩慢的系統微分環節不起作用。
GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模塊如下：PLC在本系統中主要通過模擬輸入接口AI0001（SP）設定出水管道的壓力值，通過模擬輸入接口AI0002(PV)讀取管道的實際壓力反饋信號，將AI0001（SP）與AI0002(PV)相減，產生的誤差（Error），將誤差送到PID功能模塊，通過設置比例項（Proportion）、積分（Integra）、微分（Derivative）使輸出項AQ0001達到平穩輸出給變頻器，使變頻器輸出產生平滑的頻率給變頻水泵，防止出現大的波動使管道的壓力出現大的震蕩。
圖1 PID自整定功能模塊及設置
5 水泵負荷變頻調速節能原理
水泵是將電動機的軸功率轉變為流體的設備。過去很少采用轉速控制的方法，多是由鼠籠式異步電機拖動進行恒速運轉，當需要改變流量時，調節節流閥和擋板，這種方法雖然控制簡單，但節能較差，不經濟，動態跟蹤性能也很差。變頻調速節能是相對于閥門調節而言，采用變頻調速器后，將閥門全開，通過改變電機電源頻率的方法來改變電機轉速。由流體力學可知，流量Q與轉速n的一次方成正比，風壓H與轉速n的平方成正比，功率P與轉速n的立方成正比，即：Q=Qe×（n/ne）,H=He×（n/ne）2,P=Pe×（n/ne）3，式中，Qe為水泵的額
圖 2 水泵系統特性曲線
定流量，He為水泵的額定壓力，Pe為水泵的額定功率，ne為水泵的額定轉速。
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