陳　劍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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一帶多變頻系統(tǒng)在給水泵類中的節(jié)能應(yīng)用

陳劍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

當(dāng)今社會是一個節(jié)能型社會，節(jié)能降耗可以大幅度降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高其自身的產(chǎn)品競爭能力。一帶多系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、傳動效率高、節(jié)電顯著、投資回收期短等優(yōu)點，能較好地解決變頻器利用率低、傳統(tǒng)控制方式能耗大等問題。詳細(xì)闡述了一帶多系統(tǒng)在給水泵中的節(jié)能運用，通過解析系統(tǒng)硬件構(gòu)成及軟件編程將本系統(tǒng)的智能切換特點呈現(xiàn)出來，希望能夠拋磚引玉讓更多節(jié)能方法應(yīng)用到實際中。

一帶多調(diào)速節(jié)能智能

0　引言

目前，變頻器在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到較為普遍的應(yīng)用。它不但能實現(xiàn)無級調(diào)速, 而且在負(fù)載不同時, 始終高效運行, 有良好的動態(tài)特性, 能實現(xiàn)高性能、高可靠性、高精度的自動控制。變頻調(diào)速性能穩(wěn)定、啟動平滑、沖擊性小、調(diào)速范圍廣、效率高, 隨著現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展, 交流變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善, 它已成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。使用變頻器調(diào)速信號傳遞快、控制系統(tǒng)時滯小、反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度高、使用方便、有利于提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本, 因此是廠礦企業(yè)設(shè)備改造, 節(jié)能降耗的首選產(chǎn)品。給水泵由于互為備用，使得每臺給水泵工況不穩(wěn)定，啟動切換頻繁。若采用一拖一方式使用變頻器就會產(chǎn)生設(shè)備成本增加，利用率低等問題。本文通過研究變頻器特點及給水泵運行規(guī)律設(shè)計一套由PLC控制變頻器帶動三臺給水泵自動控制系統(tǒng)。實際運行考核能滿足工藝要求，并且有很好的節(jié)能效果。

1　系統(tǒng)簡介及原理

本系統(tǒng)是一套鍋爐自動補水系統(tǒng)，是由一套S7-200PLC、一臺通用變頻器、一個壓力傳感器、三臺給水泵、若干工控元器件組成。主要功能是保證鍋爐給水壓力始終維持恒定。其啟動方式分為兩種：一種是普通的人工手動全壓工頻直接啟動；另一種是由PLC為核心的智能變頻啟動。其給水泵運行方式也分為兩種：一種是工頻全壓運行；另一種是由變頻器帶動的變頻調(diào)壓運行。智能控制的原理如圖1所示。在自動狀態(tài)下PLC得到啟動信號后，內(nèi)部程序判斷變頻器運行還是工頻運行。若變頻運行，給出變頻使能信號及模擬量速度給定(給變頻器的模擬量速度給定是由總管路上壓力傳感器反饋模擬量壓力值，通過PLC的PID運算包運算后給出)，變頻器得到信號后開始輸出功率，同時發(fā)出指令使相應(yīng)變頻接觸器吸合，最終讓目標(biāo)泵在變頻器帶動下節(jié)電啟動、運行；若工頻運行，只用給出指令讓相應(yīng)工頻接觸器吸合即可。

圖1　系統(tǒng)控制原理圖

2　實施方案

2.1硬件方案

2.1.1主回路

系統(tǒng)主回路構(gòu)成如圖2所示。圖中QF1是變頻器的進(jìn)線斷路器，QF2是控制回路斷路器，QF3是PLC的電源進(jìn)線斷路器。QS1到QS3分別是工頻控制中對應(yīng)1#到3#泵的進(jìn)線隔離開關(guān)。KM11到KM13是對應(yīng)1#到3#泵的變頻接觸器。KM21到KM23是對應(yīng)1#到3#泵的工頻接觸器。FU1到FU3是1#到3#泵的工頻回路快熔，用于過流保護(hù)。FR1到FR3是1#到3#泵的熱繼電器，用于過載保護(hù)。

圖2　系統(tǒng)主回路單線圖

2.1.2控制回路

系統(tǒng)控制回路構(gòu)成如圖3所示。圖中常閉按鈕SB11到SB13，用于1#到3#泵手動停止。常閉按鈕SB21到SB23，用于1#到3#泵手動啟動。選擇開關(guān)SA1，用于切換工頻下手動/自動狀態(tài)。中間繼電器KA11到KA13，由PLC驅(qū)動用于控制變頻下1#到3#泵的啟停。中間繼電器KA21到KA23，由PLC驅(qū)動用于控制工頻下1#到3#泵的啟停。中間繼電器KA31到KA33，由1#到3#泵的熱繼電器常開點驅(qū)動用于故障未復(fù)位時PLC程序封鎖自接觸器KM11到KM13、KM21到KM23自動閉合。

2.1.3PLC

S7-200是整個控制系統(tǒng)的核心部件，其型號為：6ES7214-2AD23-0XB8。其處理器是CPU224XP，帶有14個數(shù)字量輸入，10個數(shù)字量輸出，2個模擬量輸入，1個模擬量輸出。由于數(shù)字量輸入、輸出端口不夠需加擴(kuò)展模塊。PLC符號對照表見表1。

圖3　系統(tǒng)控制回路原理圖

PLCI/O點實際接點I0.0手/自動選擇開關(guān)(SA1)I0.11#泵主/加壓選擇開關(guān):主泵選擇(SA2-1)I0.21#泵主/加壓選擇開關(guān):加壓泵選擇(SA2-2)I0.32#泵主/加壓選擇開關(guān):主泵選擇(SA3-1)I0.42#泵主/加壓選擇開關(guān):加壓泵選擇(SA3-2)I0.53#泵主/加壓選擇開關(guān):主泵選擇(SA4-1)I0.63#泵主/加壓選擇開關(guān):加壓泵選擇(SA4-2)I1.01#泵手動停止(SB11)I1.12#泵手動停止(SB12)I1.23#泵手動停止(SB13)I1.31#泵手動啟動(SB21)I1.42#泵手動啟動(SB22)I1.53#泵手動啟動(SB23)I2.0自動啟動(SB31)I2.1自動停止(SB32)I2.21#泵熱繼電器常開點(KA31)I2.32#泵熱繼電器常開點(KA32)I2.43#泵熱繼電器常開點(KA33)I2.5變頻器就緒信號(KA15)I2.6變頻器故障信號(KA16)Q0.0變頻器使能信號(KA14)Q0.11#泵變頻接觸器線圈(KA11)Q0.22#泵變頻接觸器線圈(KA12)Q0.33#泵變頻接觸器線圈(KA13)Q1.01#泵自動工頻接觸器線圈(KA21)Q1.12#泵自動工頻接觸器線圈(KA22)Q1.23#泵自動工頻接觸器線圈(KA23)AIW0壓力傳感器模擬量輸入AQW0變頻器速度給定

2.2軟件方案

2.2.1工作過程

1)手動狀態(tài)：即選擇開關(guān)SA1選至手動時，這時只能手動工頻啟動/停止1#到3#泵，自動程序和PID調(diào)節(jié)并不執(zhí)行，一般適用調(diào)試及檢修時查看泵運行狀態(tài)。

2)自動狀態(tài)：即選擇開關(guān)SA1選至自動時，PLC點I0.0會接到一個高電平信號，在這個高電平信號未消失之前會執(zhí)行編制的自動程序。自動狀態(tài)下當(dāng)I2.0接到啟動信號后會根據(jù)1#到3#泵主泵選擇開關(guān)SA2到SA4的主泵/加壓/備用的狀態(tài)來決定吸合相應(yīng)的變頻接觸器，同時PLC向變頻器輸出使能及給定，由變頻器帶動主泵啟動。PLC通過壓力傳感器反饋回來的壓力模擬量信號在PLC內(nèi)部PID程序塊運算得出主泵所需調(diào)節(jié)量，并將該調(diào)節(jié)量以模擬量信號方式輸出給變頻器，變頻器通過改變頻率來完成該調(diào)節(jié)量。如果變頻器已經(jīng)達(dá)到額定頻率后壓力仍不能滿足系統(tǒng)需求，則切斷相應(yīng)變頻接觸器、變頻器使能及給定，同時接通相應(yīng)工頻接觸器讓其工頻運行。在得到I2.5變頻器就緒信號后判斷系統(tǒng)選擇加壓泵信號。確定加壓泵后，吸合該泵相應(yīng)變頻接觸器，同時向變頻器輸出使能及給定，由變頻器帶動加壓泵啟動和調(diào)速從而滿足系統(tǒng)壓力要求。當(dāng)壓力超過系統(tǒng)所需壓力時，切斷工頻控制電機(jī)，則首先退出加壓泵的變頻運行狀態(tài)，切斷相應(yīng)變頻接觸器、使能及給定，而后短暫延時后重新將主泵切換至變頻器控制的運行狀態(tài)下，如果變頻器到設(shè)定最低頻率仍能達(dá)到要求，延時后進(jìn)入休眠狀態(tài)，電機(jī)停止運轉(zhuǎn)，如果壓力低于設(shè)定值，達(dá)到設(shè)定的喚醒休眠值，變頻器開始工作，電機(jī)運轉(zhuǎn)。如果正在使用泵的熱繼電器動作跳閘，系統(tǒng)將判斷備用泵信號，并將備用泵投入。

2.2.2PLC程序流程

程序是由主泵、加壓泵、備用泵組成，備用泵是主泵或加壓泵故障時調(diào)用，使用的仍然是主泵或加壓泵程序，所以程序主體就兩部分：一段主泵程序見圖4；一段加壓泵程序見圖5。

圖4　主泵程序流程圖

圖5　加壓泵程序流程圖

3　方案實施要點

3.1變頻器

1)功率選擇：變頻器一帶多泵類控制中功率選擇原則為就高不就低。按照所有泵中功率最大的再通過公式(1)計算出變頻器輸出功率。

P=KPm/cos?

(1)

K——經(jīng)驗系數(shù)取1.05； cos?——功率因數(shù)；

Pm——電機(jī)負(fù)載，kW。

2)參數(shù)設(shè)定：在本系統(tǒng)中變頻器參數(shù)設(shè)定時首先需要注意不要用矢量或TDC控制方式，必須使用標(biāo)量控制方式；其次需要裝制動電阻并設(shè)定相關(guān)參數(shù)以便盡快進(jìn)入再啟動狀態(tài)；最后需要將變頻器就緒開關(guān)量引入PLC用于再次啟動變頻器的條件。

3.2程序編程

1)PID調(diào)節(jié)：PLC中使用的PID調(diào)節(jié)程序可使用西門子公司灌裝的程序包。

2)變頻與工頻切換：編制變頻與工頻切換的用戶程序時應(yīng)該充分考慮變頻器的能耗特性。

3.3電機(jī)及電纜

1)電機(jī)：由于是一帶多系統(tǒng)，所以每臺電機(jī)都要有自己的相應(yīng)保護(hù)以便快速確認(rèn)故障來源，并自動采取相應(yīng)措施。

2)電纜：變頻器一般對其和電機(jī)之間的連接電纜長度有相應(yīng)的要求，所以實際運用時應(yīng)該使最遠(yuǎn)電纜的長度在規(guī)定范圍內(nèi)。

4　方案實施效益

4.1直接經(jīng)濟(jì)效益

1)同工況采樣電流對照見表2。本系統(tǒng)節(jié)電效果可通過表2分析得知變頻器方式比工頻方式節(jié)電54.8%，而且本系統(tǒng)的變頻使用率達(dá)到100%。

表2　同工況采樣電流對照表

2)本系統(tǒng)變頻器利用率接近百分之一百，對比一帶一系統(tǒng)節(jié)約了大量的前期投入成本。

4.2間接經(jīng)濟(jì)效益

1)機(jī)泵啟動采用變頻啟動方式消除了工頻直接啟動給電網(wǎng)和電機(jī)帶來的沖擊，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，改善了電網(wǎng)環(huán)境，延長了電機(jī)壽命。

2)變頻器由于其保護(hù)多、啟動平穩(wěn)，所以能大幅度提高電機(jī)壽命。

3)由于系統(tǒng)設(shè)計具有PID調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)“按需供量”達(dá)到了高效節(jié)能的目的。

5　結(jié)束語

本系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、傳動效率高、節(jié)電顯著、投資回收期短等優(yōu)點，在投運后取得顯著的節(jié)能效果，較好地解決了變頻器利用率低、傳統(tǒng)控制方式能耗大等問題，值得全面推廣使用。它會在降低能耗和延長機(jī)泵等設(shè)備的使用壽命方面起到非常巨大的作用。當(dāng)今變頻器技術(shù)飛速發(fā)展，有許多變頻器都附帶PID調(diào)節(jié)功能。解決一些實際問題后可以將變頻器功能充分利用，這樣可以在前期投入上壓縮成本。

[1]趙愛志.一臺變頻器帶多臺機(jī)泵的可行性研究[J].電氣應(yīng)用，2008，27(2)：16-17.

[2]杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計技術(shù)[M].北京:中國電力出版社.2001.

THE ENERGY SAVING EFFECT OF MULTI-SPLIT VARIABLE FREQUENCY SYSTEM APPLICATION IN WATER PUMP

Chen Jian

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

Today's society is an energy-saving society, the energy saving can greatly reduce the production cost of enterprises, improve their competitive ability of product. The multi-split system has wide speed range, high transmission efficiency, saving significant advantages, short payback period, which can better solve the problems such as low utilization rate of the frequency and high consumption of the traditional control method. In this paper, the energy saving application of multi-split system in water supply pump is described in detail, by analyzing the system hardware structure and software programming, the intelligent switching features of the system are presented, hope to attract more energy-saving method into practice.

multi-splitcontrolenergy savingintelligent

2015-11-21

聯(lián)系人：陳劍，電氣工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司第二軋鋼廠設(shè)備材料科；