一带多变频系统在给水泵类中的节能应用

陈　剑

(安阳钢铁股份有限公司)



一带多变频系统在给水泵类中的节能应用

陈剑

(安阳钢铁股份有限公司)

当今社会是一个节能型社会，节能降耗可以大幅度降低企业的生产成本，提高其自身的产品竞争能力。一带多系统具有调速范围宽、传动效率高、节电显著、投资回收期短等优点，能较好地解决变频器利用率低、传统控制方式能耗大等问题。详细阐述了一带多系统在给水泵中的节能运用，通过解析系统硬件构成及软件编程将本系统的智能切换特点呈现出来，希望能够抛砖引玉让更多节能方法应用到实际中。

一带多调速节能智能

0　引言

目前，变频器在工业领域已经得到较为普遍的应用。它不但能实现无级调速, 而且在负载不同时, 始终高效运行, 有良好的动态特性, 能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。变频调速性能稳定、启动平滑、冲击性小、调速范围广、效率高, 随着现代控制理论和电力电子技术的发展, 交流变频调速技术日臻完善, 它已成为交流电机调速的最新潮流。使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制精度高、使用方便、有利于提高产量、保证质量、降低生产成本, 因此是厂矿企业设备改造, 节能降耗的首选产品。给水泵由于互为备用，使得每台给水泵工况不稳定，启动切换频繁。若采用一拖一方式使用变频器就会产生设备成本增加，利用率低等问题。本文通过研究变频器特点及给水泵运行规律设计一套由PLC控制变频器带动三台给水泵自动控制系统。实际运行考核能满足工艺要求，并且有很好的节能效果。

1　系统简介及原理

本系统是一套锅炉自动补水系统，是由一套S7-200PLC、一台通用变频器、一个压力传感器、三台给水泵、若干工控元器件组成。主要功能是保证锅炉给水压力始终维持恒定。其启动方式分为两种：一种是普通的人工手动全压工频直接启动；另一种是由PLC为核心的智能变频启动。其给水泵运行方式也分为两种：一种是工频全压运行；另一种是由变频器带动的变频调压运行。智能控制的原理如图1所示。在自动状态下PLC得到启动信号后，内部程序判断变频器运行还是工频运行。若变频运行，给出变频使能信号及模拟量速度给定(给变频器的模拟量速度给定是由总管路上压力传感器反馈模拟量压力值，通过PLC的PID运算包运算后给出)，变频器得到信号后开始输出功率，同时发出指令使相应变频接触器吸合，最终让目标泵在变频器带动下节电启动、运行；若工频运行，只用给出指令让相应工频接触器吸合即可。

图1　系统控制原理图

2　实施方案

2.1硬件方案

2.1.1主回路

系统主回路构成如图2所示。图中QF1是变频器的进线断路器，QF2是控制回路断路器，QF3是PLC的电源进线断路器。QS1到QS3分别是工频控制中对应1#到3#泵的进线隔离开关。KM11到KM13是对应1#到3#泵的变频接触器。KM21到KM23是对应1#到3#泵的工频接触器。FU1到FU3是1#到3#泵的工频回路快熔，用于过流保护。FR1到FR3是1#到3#泵的热继电器，用于过载保护。

图2　系统主回路单线图

2.1.2控制回路

系统控制回路构成如图3所示。图中常闭按钮SB11到SB13，用于1#到3#泵手动停止。常闭按钮SB21到SB23，用于1#到3#泵手动启动。选择开关SA1，用于切换工频下手动/自动状态。中间继电器KA11到KA13，由PLC驱动用于控制变频下1#到3#泵的启停。中间继电器KA21到KA23，由PLC驱动用于控制工频下1#到3#泵的启停。中间继电器KA31到KA33，由1#到3#泵的热继电器常开点驱动用于故障未复位时PLC程序封锁自接触器KM11到KM13、KM21到KM23自动闭合。

2.1.3PLC

S7-200是整个控制系统的核心部件，其型号为：6ES7214-2AD23-0XB8。其处理器是CPU224XP，带有14个数字量输入，10个数字量输出，2个模拟量输入，1个模拟量输出。由于数字量输入、输出端口不够需加扩展模块。PLC符号对照表见表1。

图3　系统控制回路原理图

PLCI/O点实际接点I0.0手/自动选择开关(SA1)I0.11#泵主/加压选择开关:主泵选择(SA2-1)I0.21#泵主/加压选择开关:加压泵选择(SA2-2)I0.32#泵主/加压选择开关:主泵选择(SA3-1)I0.42#泵主/加压选择开关:加压泵选择(SA3-2)I0.53#泵主/加压选择开关:主泵选择(SA4-1)I0.63#泵主/加压选择开关:加压泵选择(SA4-2)I1.01#泵手动停止(SB11)I1.12#泵手动停止(SB12)I1.23#泵手动停止(SB13)I1.31#泵手动启动(SB21)I1.42#泵手动启动(SB22)I1.53#泵手动启动(SB23)I2.0自动启动(SB31)I2.1自动停止(SB32)I2.21#泵热继电器常开点(KA31)I2.32#泵热继电器常开点(KA32)I2.43#泵热继电器常开点(KA33)I2.5变频器就绪信号(KA15)I2.6变频器故障信号(KA16)Q0.0变频器使能信号(KA14)Q0.11#泵变频接触器线圈(KA11)Q0.22#泵变频接触器线圈(KA12)Q0.33#泵变频接触器线圈(KA13)Q1.01#泵自动工频接触器线圈(KA21)Q1.12#泵自动工频接触器线圈(KA22)Q1.23#泵自动工频接触器线圈(KA23)AIW0压力传感器模拟量输入AQW0变频器速度给定

2.2软件方案

2.2.1工作过程

1)手动状态：即选择开关SA1选至手动时，这时只能手动工频启动/停止1#到3#泵，自动程序和PID调节并不执行，一般适用调试及检修时查看泵运行状态。

2)自动状态：即选择开关SA1选至自动时，PLC点I0.0会接到一个高电平信号，在这个高电平信号未消失之前会执行编制的自动程序。自动状态下当I2.0接到启动信号后会根据1#到3#泵主泵选择开关SA2到SA4的主泵/加压/备用的状态来决定吸合相应的变频接触器，同时PLC向变频器输出使能及给定，由变频器带动主泵启动。PLC通过压力传感器反馈回来的压力模拟量信号在PLC内部PID程序块运算得出主泵所需调节量，并将该调节量以模拟量信号方式输出给变频器，变频器通过改变频率来完成该调节量。如果变频器已经达到额定频率后压力仍不能满足系统需求，则切断相应变频接触器、变频器使能及给定，同时接通相应工频接触器让其工频运行。在得到I2.5变频器就绪信号后判断系统选择加压泵信号。确定加压泵后，吸合该泵相应变频接触器，同时向变频器输出使能及给定，由变频器带动加压泵启动和调速从而满足系统压力要求。当压力超过系统所需压力时，切断工频控制电机，则首先退出加压泵的变频运行状态，切断相应变频接触器、使能及给定，而后短暂延时后重新将主泵切换至变频器控制的运行状态下，如果变频器到设定最低频率仍能达到要求，延时后进入休眠状态，电机停止运转，如果压力低于设定值，达到设定的唤醒休眠值，变频器开始工作，电机运转。如果正在使用泵的热继电器动作跳闸，系统将判断备用泵信号，并将备用泵投入。

2.2.2PLC程序流程

程序是由主泵、加压泵、备用泵组成，备用泵是主泵或加压泵故障时调用，使用的仍然是主泵或加压泵程序，所以程序主体就两部分：一段主泵程序见图4；一段加压泵程序见图5。

图4　主泵程序流程图

图5　加压泵程序流程图

3　方案实施要点

3.1变频器

1)功率选择：变频器一带多泵类控制中功率选择原则为就高不就低。按照所有泵中功率最大的再通过公式(1)计算出变频器输出功率。

P=KPm/cosø

(1)

K——经验系数取1.05； cosø——功率因数；

Pm——电机负载，kW。

2)参数设定：在本系统中变频器参数设定时首先需要注意不要用矢量或TDC控制方式，必须使用标量控制方式；其次需要装制动电阻并设定相关参数以便尽快进入再启动状态；最后需要将变频器就绪开关量引入PLC用于再次启动变频器的条件。

3.2程序编程

1)PID调节：PLC中使用的PID调节程序可使用西门子公司灌装的程序包。

2)变频与工频切换：编制变频与工频切换的用户程序时应该充分考虑变频器的能耗特性。

3.3电机及电缆

1)电机：由于是一带多系统，所以每台电机都要有自己的相应保护以便快速确认故障来源，并自动采取相应措施。

2)电缆：变频器一般对其和电机之间的连接电缆长度有相应的要求，所以实际运用时应该使最远电缆的长度在规定范围内。

4　方案实施效益

4.1直接经济效益

1)同工况采样电流对照见表2。本系统节电效果可通过表2分析得知变频器方式比工频方式节电54.8%，而且本系统的变频使用率达到100%。

表2　同工况采样电流对照表

2)本系统变频器利用率接近百分之一百，对比一带一系统节约了大量的前期投入成本。

4.2间接经济效益

1)机泵启动采用变频启动方式消除了工频直接启动给电网和电机带来的冲击，提高了电网功率因数，改善了电网环境，延长了电机寿命。

2)变频器由于其保护多、启动平稳，所以能大幅度提高电机寿命。

3)由于系统设计具有PID调节功能，能够实现“按需供量”达到了高效节能的目的。

5　结束语

本系统具有调速范围宽、传动效率高、节电显著、投资回收期短等优点，在投运后取得显著的节能效果，较好地解决了变频器利用率低、传统控制方式能耗大等问题，值得全面推广使用。它会在降低能耗和延长机泵等设备的使用寿命方面起到非常巨大的作用。当今变频器技术飞速发展，有许多变频器都附带PID调节功能。解决一些实际问题后可以将变频器功能充分利用，这样可以在前期投入上压缩成本。

[1]赵爱志.一台变频器带多台机泵的可行性研究[J].电气应用，2008，27(2)：16-17.

[2]杜金城.电气变频调速设计技术[M].北京:中国电力出版社.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

联系人：陈剑，电气工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁股份有限公司第二轧钢厂设备材料科；