恒压供水

摘要:

随着变频调速技术和可编程控制器的飞速发展，以及其应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要装置，在工业生产领域得到广泛使用，在其它领域（如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。

由于变频调速技术和可编程程序控制器的应用灵活方便，在供水系统中亦得到广泛的应用。采用PLC作为中心控制单元，利用变频器与传感器结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果以及明显的节能效果。

本文结合我厂高炉供水站改造实例对变频恒压供水系统的设计理念、方案及效果进行了分析并简要的论述了恒压供水变频节能的原理。

关键词:

变频 PLC 设计方案 节能原理

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目录

1 引言·············································4 2 变频器与PLC······································4 2.1 变频调速······································4 2.2 PLC···········································4 3 系统构成及控制方案································5 3.1 系统构成······································5 3.2 控制系统方案··································6 3.2.1 系统功能·································6 3.2.2 工作原理·································7 3.2.3 控制系统原理图···························7 3.3 注意事项·······································9 4 节能原理··········································9 5 投资回报及经济效益·······························10 5.1 直接效益······································10 5.2 间接效益······································10 6 结束语···········································10 7 参考文献··········································11

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1080高炉供水系统改造

1 引言

炼铁厂1080高炉净化水制备站主要有三台供水泵，这三台供水泵承担着1080高炉渣处理用水及补充高炉炉壁冷却用水的供水任务。工业水泵的型号:250SSK468/54,流量:468m3/h,扬程54米,转速1470 r/min,配用功率55KW;配用电机型号Y315S-4B3,电压380V,电流102.6A,转速1480 r/min.建炉初期由于设计问题,全部采用工频运行。为了保证生产的可靠性,各种水泵在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费。同时，由于用水量不稳定造成出水压力频繁变化，需要操作人员经常调节阀门开度来控制压力的恒定，加大了劳动强度，而且效果很不理想。

2 变频器与PLC

2.1变频调速

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。

2.2 PLC

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

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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。

3 系统构成及控制方案

为了减少不必要的电耗及设备的损耗，同时降低一线操作人员的劳动强度，炼铁厂设备科和自动化室决定对这套供水系统进行改造。

3.1 恒压原理

如前所述净化水制备站主要承担1080高炉渣处理用水及补充高炉炉壁冷却用水，用水的多少经常变动，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少儿供水多，则压力大。保持供水压力恒定，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。根据反馈原理，要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该将这个物理量与恒定值进行比较，形成闭环系统。要保持水压恒定，就必须在管网系统的管道上安装压力信号采集装置，引入水压反馈值与给定值进行比较，从而形成PID闭环系统。实现水泵电动机无级调速，根据用水量的变化自动调节系统运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定，以满足用水要求。

3.2 系统构成

以下是本人与几位同事共同研究、设计的一套系统改造方案，如图一所示，主要以

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图一

变频器和PLC为控制元件。一台变频器控制三台电机，该系统由变频器、信号采集装置和控制系统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，在此我们以艾默生TD2100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。 (2) 信号采集装置

该装置主要由压力传感器组成，压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器，它一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。其选用原则一般以被测量压力经常处在整个量程的80℅～90℅为最好，但最大工作状态点不能超过满量程。 (3) 控制系统

该控制系统以PLC为主，由按钮、继电器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。由于传感器送回的和输出到变频器的控制量均为模拟量，所以必须加

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配一模拟量扩展单元EM235.PLC接线如图二所示。

图二

3.3 控制系统方案及电气原理图

3.2.1 系统方案

为了实现恒压力供水的目的，采用闭环控制，同时考虑到安全性，保留开环控制，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传送给PLC，PLC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模拟量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

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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。

3.2.2 主回路图

图三 主回路接线图

三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM2、KM3分别控制三台电机工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制三台电机的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护的热继电器。

3.2.3 控制回路图

控制回路接线原理图如图四所示。

图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的位置

为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1～SB6控制三台泵工频运行即开环控制；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行即闭环控制。HL1～HL6为各台泵运行状态指示灯；如图二所示KA1～KA6为PLC输出点带的中间继电器；HL7为故障报警指示灯；KA7为变频复位继电器，其触点接入变频器对变频器进行复频控制。对泵的手动开环工频控制，只是在自动系统出现故障或应急检修的情况下临时使用。

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图四 控制回路接线图

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

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保护、欠压保护等。

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。

3.2.3 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。其原理如图1所示。

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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。

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图2 变频器切换控制原理图

3.3 注意事项

要使系统稳定快速准确的运行，应注意一下参数： 1） 变频、工频切换时间T

切换时间T在PLC程序中设定，设置T时为了确保在加泵时，泵由变频转换为工频过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对对应的交流接触器不会同时吸合，而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流大而对电网产生冲击，所以在允许的范围内时间T必须尽可能小。

2） 上、下限频率持续时间TH和TL

变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频运行的频率是否达到上限（下限），并保持一定的时间来判断是否加、减泵，这个判断时间就是TH（TL）,如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网

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用水量变化时就很可能引起频繁的加减泵工作。

4 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。

5 投资回报及效益分析

5.1 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，55kW电机年节电量可做如下计算: W＝55×[1-(0.8)3]×24×300=19.475万kWh 电费单价按0.40元/kWh计算,全年可节约电费 M=19.475×0.40=7.79万元

5.2 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。

6 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

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除起动和停机时的水锤效应。本系统经不断完善，性能优越，安全方便，深得我厂及运行工段操作人员的好评。

本文在写作过程中得到了铁厂自动化室和设备科领导及工程技术人员的大力支持，电炉厂自动化室林培昭作为指导老师，提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。同时感谢校方三年来对我的培养，衷心感谢！

参考文献：

1 何波 《电气控制及PLC应用》 中国电力出版社 2008 2 刘美波 《变频器应用及维护技术》中国电力出版社 2008 3 宋银宾 《电机拖动基础》 冶金工业出版社 2003

4 孙书芳 《西门子PLC高级培训教程》 人民邮电出版社 2009 5 王阿根 《PLC控制程序精编108例》 电子工业出版社 2009 6 程玉华 《西门子S7-200工程应用实例分析》电子工业出版社 2008 7 段苏振 《变频器的选型与配置》中国电力出版社 2010 8 王廷才 《变频器原理及应用》 机械工业出版社 2009

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