工业水泵自动化变频改造经济性分析

王 翔

（太原热力集团有限责任公司万柏林供热分公司， 山西 太原 030003）

0 引言

随着工业技术水平的不断提升，水泵常规的控制方式并不能满足可持续发展社会建设的节能需求,在此种情况下，水泵的自动化节能改造也成为工业发展的重要方向[1]。变频控制系统是当前应用最广泛的一种水泵自动化调控系统，该系统能够根据生产作业需求对水泵的转速进行自动化调控，但目前很多企业在水泵自动控制变频改造过程中是基于PID 控制算法实现的，该种自动变频控制模式虽然能够实现水泵的自动化控制，但对用水响应相对较慢，这对企业的生产有着一定的影响[2]。因此，建立一种能够快速响应需求，安全可靠的自动控制系统也成为工业领域发展的关键所在。

1 工业水泵自动化变频改造工程概况

某企业供暖换热站中共计有三台循环泵、一台补水泵，其中两台（1 号、2 号）用于厂区供暖水的循环控制，另一台作为备用泵，补水泵用于厂区供暖水的补充。该企业在建立之初，供热站水泵的控制均为工频控制，在此种控制模式下，企业的能源成本较高。随着节能降耗的推行，该企业进行了自动化改造，实现了循环泵、补水泵的变频控制，但此次改造工作是基于传统PID 控制算法实现的，该系统在应用中虽然能够降低能源消耗（具体如表1 所示），但厂区内部某些房间的温度却出现了忽高忽低的情况，甚至部分房间夜间温度不能达到供暖需求（≥18℃），这对夜班工作人员的工作质量有着一定的影响。因此该企业希望在原基础上进行二次改造，确保在供暖温度适宜的条件下实现节能降耗。

表1 改造前后水泵能耗情况

2 工业水泵自动化变频改造分析

某企业换热站循环水泵为75 kW 立式循环水泵，补水泵为30 kW 卧式水泵，在第一次自动化系统改造过程中，控制模块采用S7-200 Smart PLC 控制器，循环水泵变频器型号为康沃CVF-G3-4T0750，补水泵变频器型号为康沃CVF-G3-4T0300，该类型变频器自带PID 控制功能。在本次自动化改造过程中，主要对PLC 控制模块进行了更新升级，进而解决供热温度不恒定的问题。在改造中，将原S7-200 Smart PLC控制器更换为S7-300 Smart PLC 控制器，更换后的PLC 模块功能性更强，并且各项功能也更为独立。在PLC 更换完成后需要进行模糊PID 控制器的设计，本次设计以二输入（温度误差e 和误差变化率Ce）三输出（△Kp、△Ki、△Kd）型结构为主。由于该企业的供水温度在50~60 ℃之间，因此在运行过程中e 在10 ℃以内。根据前段时间现场检测数据可知，Ce 为0.3，因此在此次设计当中e 论域设置为[-10,10]，Ce 论域设置为[-0.3,0.3]，根据PID 调节规律，可以将△Kp设置为[-5,5]，△Ki论域设置为[-0.5,0.5]，△Kd论域设置为[-10,10]。之后根据基础论域进行离散化处理，并设立模糊子集，得出相应的函数，而后根据函数建立模糊控制规则表，以为后续模糊PID 控制算法的执行查询相关内容。在系统设计完成后，PLC 控制器会定时收集供水管路温度，并将该值代入模糊PID 算法程序当中，进行模糊化推理，从而得出△Kp、△Ki、△Kd，之后将相应值输入到变频器PID 控制程序当中，得出水泵的调节数值，进而输出相对应的频率，实现水泵的自动化变频调控。

3 自动化控制系统的仿真

为了验证改造后自动化控制系统对供热管网温度控制的准确性，本次利用MATLAB/Simulink 软件对改造前后的自动化控制系统进行仿真，结果如图1所示。

图1 两种自动化控制系统下反馈信号的变化曲线图（有扰动）

如图1 所示，基于模糊PID 算法所建立的自动化控制系统具有更快的响应速度，在11 s 左右改进后的自动化控制系统已经与参考信号一致，而改进前系统在25 s 时才与参考信号达成一致，并且模糊PID 控制模式下反馈信号的超调量仅有0.1%，远小于传统PID 算法控制下5%的超调量。

在模拟过程中，第30 s 时系统介入干扰，传统PID 算法程序下的自动化控制系统反馈信号具有较大的波动，恢复到平稳所需要的时间超出20 s，而改造后的系统仅需要10 s 左右便可恢复，并且扰动时所产生的超调量也更小。

4 工业水泵自动化变频改造经济性分析

4.1 改造效果分析

本次自动化变频改造的主要目的是提高水泵控制的精确性，确保供暖系统运行的稳定性。为了验证改造后供热效果，本次研究选取改造前后两个典型日某房间的温度进行检测，两个典型日室外气温一致，并且温度检测前后某房间格局、装修以及家具等影响室温变化的条件均未改变。检测结果如图2 所示。

图2 改造前后典型日某房间温度变化情况

由图2 可知，在自动化变频系统改造完成后，某房间室内温度变化趋势更加平稳。并且在改造完成后的水泵自动化控制系统的应用下，某房间全天最低温度为18.44 ℃，而改造前该房间全天最低温度为16.55 ℃。由此可见，自动化变频改造具有良好的温度控制效果。

4.2 经济性分析

某企业供暖时间与所在区域供暖时间一致，均为153 d。该企业第一次水泵自动化改造工作是在2017年7 月进行，同年供暖期开始运行，经过三年运行发现部分车间内部温度难以达到供暖需求，因此在2020 年7 月进行二次改造，于2020 年11 月15 日开始运行，经过对三个阶段水泵能耗统计，得出如图3所示的结果。

图3 不同控制模式下水泵系统供暖期耗能情况

由图3 可知，在第一次自动化系统改造完成后，2号循环泵与补水泵的能耗有了极大的下降；第二次改造完成后1 号循环水泵的能耗有小幅度提升，由原先25.69 万kW·h 增长为26.33 万kW·h；而2 号循环泵能耗和补水泵能耗均有一定下降。经过计算，第一次改造完成后该企业供暖水泵每年电能费用可降低12.71 万元；在第二次改造完成后，该企业供暖水泵电能费用相比较第一次改造可降低1.59 万元。因此，在基于模糊PID 算法下的水泵自动化变频系统应用后，该企业相比较最初水泵工频控制能够降低能耗费用为14.3 万元，具有良好的经济效益。

5 结语

1）对某企业的供暖情况进行分析，提出第一次自动化系统改造完成后所存在的问题，并分析改造完成后的耗能情况。

2）根据某企业水泵自动化变频系统进行二次改造，更换PLC 控制器，并根据企业供暖需求设计模糊PID 控制器，后利用MATLAB/Simulink 对自动化变频系统进行仿真模拟，结果显示二次改造完成后的自动化控制系统控制精确度更好。

3）将本次所设计的水泵自动化控制系统应用于该企业当中，经过分析发现经过二次改造的水泵控制系统具有更高效的控制效果，厂区内部所有室内温度均能满足冬季供暖需求，并且二次改造后的控制系统相比较传统人工控制能耗费用能够有效降低14.3 万元，具有良好的改造经济效果。