基于PLC与变频技术的节能应用研究

1 概述

本文的内容是结合PLC和变频器的功能，实现对送水泵房的恒压供水系统控制；系统采用变频调速方式自动调节水泵电机的速度，利用PLC的PID的自动调节功能控制变频器，形成以压力为闭环的控制系统，从而实现恒压供水，而水组泵的启动和停止可以通过自动和手动来实现，该系统运行可靠，抗干扰性强，且具有较强的节能性。但在自动控制的实现过程中，系统还存在很多技术问题，结合一些实际配置过程与大家一起探讨。

2 系统组成

PLC-变频器和软启动器控制系统由1个PLC控制站、2台变频器、3台软启动器、压力变送器、综合保护器、液位计及5台水泵等组成。5台水泵的流量是12000m3/h，电机为132kW，两台变频器控制两个水泵，三台软启动器控制另外三台水泵。在出水总管上安装有压力变送器探测管网的压力，在清水蓄水池装有液位计，检测水池的液位并将信号送至PLC。每台水泵都配有1台的综合保护器（安装在变频器或软启动机柜内）。变频器采用西门子公司的MICROMASTER（MM440），PLC采用西门子公司的GE的可编程序控制器，出水总管上配备E+H公司的FT-1压力传感器和清水蓄水池FT-1E液位传感器。

3 系统控制原理

通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PLC，经PLC运算与给定的压力进行比较，得出一比较参数，送给变频器，由变频器控制电机的转速，调节系统的供水量，使供水管网上的压力保持在给定的压力上，当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无极调速，从而使管网水压连续变化。压力传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。当供水设备启动时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送入可编程控制器，可编程控制器送出一个用水量增大的模拟信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使管网水压达到设定值，可编程序控制器就发出控制信号，启动一台工频泵，其他泵依次类推。反之，当用水量减少，变频器的输出频率低于某一值（一般为30Hz左右）时，管网的压力仍高于给定的压力，PLC也自动启动计时器，在一定的时间段内，如果压力仍高于给定值，PLC就自动停止一台工频泵的，直至压力降低为止，其他泵依次类推。

4 PLC的配置及PID程序设计

根据用户需求，对控制器PLC的硬件配置如下，CPU模块采用IC200CPUE05，带2个串口的CPU，内含以太网接口，数字量输入（DI）采用IC200MDL640模块，数字量输出（DO）采用IC200MDL740模块，模拟量输入（AI）采用IC200ALG240模块，模拟量输出（AO）采用IC200ALG230模块。在现场实际中，数字量输入输出（DI/DO），模拟量输入输出（AI/AO）都有冗余，以备系统临时扩充需要。触摸屏采用深圳威伦通10.4寸TFT65536色的MT6104T。上位机监控系统使用一台工程师站和一台操作员站。两台工业计算机分别采用以太网络完成计算机与PLC主站之间的数据通讯。操作员站的画面组态软件选用GE Cimplicity组态软件完成用户二次软件的开发。

PID控制各校正环节主要作用如下：

（1）比例环节：比例的增大等价于系统开环增益的增加，会引起系统响应速度，稳态误差减少，超调量增加。当比例过大时，会使闭环系统不稳定。

（2）积分环节：相当于增加系统积分环节，主要作用是消除系统稳态误差。积分环节作用的强弱取决于积分常数积分。微分增大，系统超调量减小，但响应速度变慢。

（3）微分环节：主要作用是提高系统响应速度，同时减小超调量。抵消系统惯性环节的滞后不良作用，使系统稳定性明显改善。微分过大或过小都会使超调量增加，调节时间加长。由于该环节所产生的控制量与信号变化速率有关，故对信号无明显变化或变化缓慢的系统微分环节不起作用。

GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模块如下：PLC在本系统中主要通过模拟输入接口AI0001（SP）设定出水管道的压力值，通过模拟输入接口AI0002(PV)读取管道的实际压力反馈信号，将AI0001（SP）与AI0002(PV)相减，产生的误差（Error），将误差送到PID功能模块，通过设置比例项（Proportion）、积分（Integra）、微分（Derivative）使输出项AQ0001达到平稳输出给变频器，使变频器输出产生平滑的频率给变频水泵，防止出现大的波动使管道的压力出现大的震荡。



图1 PID自整定功能模块及设置

5 水泵负荷变频调速节能原理

水泵是将电动机的轴功率转变为流体的设备。过去很少采用转速控制的方法，多是由鼠笼式异步电机拖动进行恒速运转，当需要改变流量时，调节节流阀和挡板，这种方法虽然控制简单，但节能较差，不经济，动态跟踪性能也很差。变频调速节能是相对于阀门调节而言，采用变频调速器后，将阀门全开，通过改变电机电源频率的方法来改变电机转速。由流体力学可知，流量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，功率P与转速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为水泵的额



图 2 水泵系统特性曲线

定流量，He为水泵的额定压力，Pe为水泵的额定功率，ne为水泵的额定转速。

由上面的公式可知，调节水泵流量时，可通过转速进行调节，此时水泵轴输出功率与转速的立方成正比。根据水泵系统特性曲线（如图2）加以分析。

假定水泵最佳效率工作点是A点，当需减少水泵的供水量时，采用传统的阀门调节方式，增加系统阻力来满足要求，使水泵工作点由A点转移到B点。这种方法不但不能节能，反而会加快水泵的效率损耗，同时低效运行会引起较高的结构振动，产生噪声及有损设备。采用变频调速技术后，通过变频调速，降低异步电机的转速，使系统重新达到平衡，工作点由A点转移到C点。从C点可看出，电机转速虽然降低了，但对水泵效率影响不大。根据上述原理，当水泵流量在较大范围内发生变化时，采用变频调速对水泵转速加以控制，将会取得非常显著的节能效果。水泵流量、转速、轴功率及电源频率关系如表1所示。

表1 水泵频率、转速、流量、频率关系