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1  引言
    變頻調速技術是近十幾年來迅速發展起來的比以往任何調速方法更加優越的新技術，因其具有節能效果明顯、調速曲線平滑、調速過程簡單、安全可靠、保護功能齊全、起動性能優越、自動化程度高等特點而受到越來越多的企業的青睞，被應用到工業生產控制過程中的任何場合，顯著的節能效果給眾多的企業帶來了巨大的經濟效益。特別是近幾年來隨著IGBT功率元件和DSP微處理系統在變頻器中的應用，變頻器本身已非常成熟，使得變頻調速技術的優越性更加突出，傳動效率越來越高，使用越來越方便，可靠性也得到了進一步的提高。
現代工業生產是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。可編程控制器(PLC)由于具有以下特點而深受工廠工程技術人員的歡迎。
(1) 可靠性高，抗干擾能力強
    其平均無故障時間大大超過IEC規定的10萬小時，同時，有些PLC還采用了冗余設計和差異設計，進一步提高了其可靠性。
(2) 適應性強，應用靈活
    多數采用模塊式的硬件結構，組合和擴展方便。
(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) 控制系統設計、安裝、調試方便
    設計人員只要有PLC就可進行控制系統設計，并可在實驗室進行模擬調試。
(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、計數、算術運算等功能外，配合特殊功能塊，還可以實現點位控制、PID運算、過程控制、數字控制等功能，既方便工廠管理又可與上位機通信，通過遠程模塊還可以控制遠方設備。
由于具有以上特點，使得PLC的應用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠、有控制要求，就會有PLC的應用。

2  系統構成及控制方案
2.1 系統構成
    一拖二(一臺變頻器控制兩臺電機)變頻恒壓供水控制系統由變頻器、信號采集及處理系統和控制系統3部分組成。
(1) 變頻器
    此系統對變頻器的要求不高，現有國內外各品牌變頻器基本都能滿足技術要求，在此我們以西門子MM430變頻器為例。此變頻器經過幾番更新換代，質量更加可靠、性能更加穩定，與國外其他品牌相比性能價格比較高。只是此變頻器多功能數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
    該系統主要由傳感器及PID調節器等組成，對就地采集的信號進行處理和轉換，為控制系統提供一個準確可利用的信號。
(3) 控制系統
    該控制系統由按鈕、繼電器、PLC等電子電氣元件組成。該系統作為變頻調速控制主體，可控制水泵的起停、加減速運轉以及泵間的相互切換等。主要電氣元件均采用西門子產品。SIMATIC S7-200可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統，能滿足中等性能要求的應用;大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應自動控制任務，各種單獨的模塊之間組合以用于擴展;簡單實用的分散式結構和多界面網絡能力，使得應用十分靈活;方便用戶和簡易的無風扇設計;當控制任務增加時，可以自由擴展;大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁。多種的性能遞增的CPU和豐富的且帶有許多方便功能的I/O擴展模塊，使用戶可以完全根據實際應用選擇合適的模塊。當任務規模擴大，可隨時使用附加模塊對PLC進行擴展。考慮其性能和點數，系統選用西門子S7-224繼電器輸入輸出型。 
 2.2 控制系統方案
    為了實現恒壓力供水的目的，系統采用閉環控制，同時考慮系統的安全性，附加開環控制，作為備用。開環、閉環之間可以方便的進行轉換。壓力傳感器進行實時檢測，并將檢測到的管道水壓信號經過轉換后傳送給PID調節器，PID調節器將此信號與給定值進行比較后，經過一系列的運算將輸出一個標準的控制信號給本系統的執行器－變頻器，變頻器根據調節器輸出信號的變化來改變其輸出頻率，進而改變水泵電機的轉速，以此來控制出水量的大小。由于變頻器的輸出頻率在0~50Hz范圍內連續可調，當用水量較小時，水泵維持低速運行，當用水量增大致使壓力降低時，變頻器輸出頻率會一直上升到50Hz時,因此當壓力發生變化時，系統會自動調節出口水量，使壓力始終在設定值附近波動並最終達到設定值，從而實現了恒壓力供水的目的。
(1) 系統功能
    可以根據需要，設定壓力值，系統自動進行循環啟動，實現恒壓供水，系統的響應速度快，穩定性好;
    系統設有手動、自動控制模式:在手動方式下，由工人根據壓力表顯示的情況，進行手動啟動，并且可以設定由工頻啟動還是變頻啟動;在自動方式下，完全根據壓力設定值進行循環啟停泵操作;
    可以在線切換手動、自動控制模式:當系統在自動方式下完全啟動以后，可以不停機直接切換到手動狀態下運行;
    每臺泵都設有變頻/工頻兩種狀態，在自動運行模式下，任一臺泵只有處于變頻狀態，才能由PLC控制進入循環軟啟序列;
    具有顯示報警功能,系統設置有各種顯示功能，可以顯示電壓、電流、壓力、變頻器輸出頻率、電機轉速等參數，同時設置各種保護功能，如過流保護、過壓保護、過載保護、欠壓保護等。
(2) 工作原理
    在自動運行模式下，通過人為設定所需的壓力，啟動系統后，控制系統通過變頻器啟動一臺處于變頻狀態的水泵電機。當電機達到滿速以后，如果檢測壓力仍達不到設定要求，控制系統會自動地將該泵由變頻切換到工頻，然后由變頻器自動啟動另外一臺處于變頻狀態的水泵電機。當檢測到的壓力值偏高且變頻器運轉在下限頻率時，則第一臺工頻運行的水泵電機將自動停機;若再需加泵時，控制系統會自動將變頻運行的水泵切換至工頻運行，然后再變頻啟動另外一臺處于變頻狀態的備用泵;以此順序運行，直到出口壓力達到設定的要求值。
    在手動運行模式下，由人工根據壓力表顯示的壓力情況進行現場手動啟動單臺泵，并且可以設定是由工頻啟動還是由變頻啟動。對于變頻運行泵，可以通過手調信號給定電位器來調節水泵電機轉速的快慢。
    此系統優點是自動調節供水動力范圍大，不用經常人工起停水泵，因而自動化程度高，減小了電機長期滿負荷運轉所造成的磨損，延長了設備的使用壽命。
(3) 控制系統原理圖
    此系統中，PLC作為系統的控制核心，起著至關重要的作用。尤其變頻自動加減泵的過程，關系到系統的安全和調節的平滑性，在編程的過程中應該注意。其原理圖如圖1所示。

圖1    PLC控制系統原理圖
    變頻器及控制系統的其它電子電氣元件作為本系統的執行機構，作為變頻調速控制主體，可控制水泵的起停、加減速運轉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  節能原理
    水泵為平方轉矩負載，即水泵的負載轉矩與轉速的平方成正比，而軸功率和負載轉矩與轉速的乘積成正比，因此，水泵的軸功率與電機轉速的立方成正比。
    由此可知，當要求出水量減少時，可使電機轉速降低，而電機轉速微量減少，將使功率大幅下降，節能效果十分明顯。本變頻調速系統經過優化設計，精心的設備選型，合理的編程，配合正確的信號給定，使得電機始終處于最佳運行狀態，節能挖潛得到了最大的發揮。

4  投資回報及效益分析
4.1 直接效益
    水泵恒壓供水避免了開關閥門造成的節流損失和關閉閥門運行時電機所做的無用功，按每年運行300天閥門平均開度80%計算，22kW電機年節電量可做如下計算:
    W＝22×[1-(0.8)3]×24×300=7.79萬kWh
    電費單價按0.40元/kWh計算,全年可節約電費
M=7.79×0.40=3.116萬元
4.2 間接效益
    (1) 水泵進行變頻調速改造以后，由于系統采用軟啟動連續變速運行，減少了對水泵的磨損，大大延長了設備使用壽命和維修周期，減少了維修費用和由此帶來的直接經濟損失;
    (2) 系統采取過流、過壓、瞬時斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護，避免了因電機燒損而影響生產所帶來的直接和間接經濟損失。

5  結束語
    用變頻調速和PLC來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比較，節能效果十分顯著。其優點是:起動平穩，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊;由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動和停機時的水錘效應;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，大大地減輕了對環境的污染。本系統經多年應用與完善，性能優越，安全方便，深得用戶好評。