浅谈PLC在恒压变频供水节能改造工程中的应用
摘要:基于PLC的变频恒压供水系统具有灵活的控制运行工况。通过变频器自动检测出口压力来调节电机的频率,达到系统输出输入的整体平衡,保持电机处于高效经济的运行工况。本文将介绍利用PLC控制器和变频器(内含PID调节器)结合形成的一种变频恒压供水系统在节能改造工程中的应用,并结合自己实际工作经验,对系统设计中的重点进行深刻的分析。 关键词:PLC;变频器;节能改造 传统的公频继电器供水系统,不能按负荷变换要求实时调整电机的输出功率,经常出现供水系统出现供水不足、电机过负荷等不利现象,给供水系统埋下许多安全隐患,同时造成巨大的电能浪费。随着变频调速技术的不断成熟,利用变频器与PLC相结合,对传统的供水工程进行节能降耗改造,已经成为满足供水系统发展的必然趋势[1]。 1. 电厂供水系统现状 电厂供水系统是机组安全可靠运行的有利保障。随着电网规模的扩大,电力负荷的类型和容量动态波动较大,导致机组需水量呈时变状态,供水泵出口压力随电力生产变化幅度较大,在继电器简单控制系统下,不能实现经济可靠的运行,给水泵常常工作在过负荷或低载运行工况下,给水泵安全稳定运行带来了巨大的困难,不仅降低了水泵的综合运行工况特性,同时还在浪费巨大电能的前提下,缩短了水泵的使用寿命。 2. 变频恒压供水系统整体结构 为了实现电厂供水泵的高效经济、安全稳定的运行,利用变频器(内含PID调节器)和PLC结合对原有供水系统进行节能改造。整个变频恒压供水系统由PLC变频控制系统和水泵电机强电系统组成。变频控制系统组要由变频器、PLC、压力信号器、水位信号器、水位传感器及各类辅助电气控制元件共同组成,具有自动变频调速恒压控制功能,详见图1所示: 2.1 工作原理 在图1中,装置通过变频器和PLC内部编程,通过变频调速启动方式,让水泵电机以软启动低电流的阶跃式启动方式开机,降低了电机启动时冲击电流的破坏效应,增强了电机的使用寿命。电机启动后,恒压变频系统就实时动态的扫描远转压力表端口,通过压力传感器检测整个供水管网实际需求的水压力,并将实际管网水压力传输到PLC控制中心,与预先设定好的额定运行压力进行比较。通过压力差数据分析,输出相应的偏差数据信号,并通过通信系统传输给变频器,完成对应的电源频率调整,实现水泵转速的调整,保证水泵输出与输入的实时动态平衡。整个变频恒压公式系统采用闭环自动控制方式,通过PLC动态扫描远动传感器端子的管网压力信号,不断反复的调整电机电源频率,逐步调整管网内的水压力,直至收敛为止。按照管网内的需水量直接控制电机的出口功率,保证系统水源的高效利用,实现了节约电能、节约水、经济可靠运行的改造目的。 2.2 PLC综合功能 PLC是整个恒压变频控制系统的核心,主要完成系统信号检测、控制命令的发出等功能。PLC可以通过编写相应的程序,实现对多台水泵的循环软启动,并动态实时的对多台水泵进行变频运行调节。在电厂供水系统中,通常设置水泵间相互备用的方式,即一台水泵处于工作状态,其余水泵处于明备用状态。当PLC检测系统发现工作水泵以额定功率运行时,还不能达到管网需水压力时,就可以自动切换到泵用水泵,通过软启动方式启动,向供水系统补水,以此类推启动第三台水泵。PLC还具备系统故障自检测功能,通过动态检测系统运行工况特性参数,对不合理的工况特性进行声光报警提示,提醒运行人员及时查看相关检测点,保证供水系统安全可靠运行。 2.3 恒压供水变频PID控制 比例-积分-微分(PID)控制模式,是控制系统中逐步收敛的最好调节方式。为了实现电厂供水系统随机组运行需求,实时动态调整供水泵电源频率,需要变频器将系统自动采集所得的压力反馈量与系统预设目标量进行实时的对比分析,并将所得的压力偏差信号转换为对应的电源频率信号,直接控制水泵电机的电源频率,通过调整电机转速实现水泵输入输出的系统平衡。 2.3.1 目标量 在系统安装调试过程中,可以根据电厂周期内需水量的平均值,设置恒压供水系统的目标量,也可以根据实际运行需要设计系统的水压目标量。根据电厂机组用水量来确定系统管道的出口压力更利于系统的调节,并在变频器参数设定中进行目标水压初值的设定。 2.1.2 反馈量 由于电厂机组运行时的需水量随电力负荷的波动变换较大,为了能够保证水泵输入和输出的平衡,通过在水泵出水管口安装压力传感器,将系统中需水量的动态信号以数据量的形式通过屏蔽通信电缆传送给变频器,作为系统的实时反馈信号,并通过系统的数据比较,形成电机电源频率信号,动态调整电机转速,实现恒压供水目的。 2.1.3 PID优化[2]-[4] 本次采用的变频器不是单一功能的调节器,而是采用具有PID逻辑运算最优调节组合方式,变频器内部PID调节器的主要工作逻辑框图如图2所示: 从2图中可知,整个恒压供水系统对上水箱液位(水泵进口管网水压力)和下水箱液位(水泵出口管网水压力)两处均设置了相应的一次和二次扰动,并通过主、副双调节器的闭环调节优化结构,对设定的液位(压力)采用相应的PID运输控制算法进行调节优化,综合提高了系统整体供水精度和效率。主副调节器在水压调整时,先将进口水压外界扰动通过PID内部整定副调节器的相关参变量,待副调节器内部参数稳定后,返回进行主调节器参数的设定,保证供水系统主调节器始终工作在进水压力平衡的优良调节环境中。 3. 恒压变频供水系统软件功能 在电厂供水系统节能降耗改造工程通常采用PLC控制系统作为整个监控系统的核心。选用西门子公司自主研制的S7-200 型PLC作为恒压变频供水系统的上位监控核心。S7-200型PLC采用具有与PLC和现场触摸屏相互通信的CPU226 CN 型CPU,用RS485通信协约进行通讯,并通过MCGS 通用版组态软件编程形成相应的可视化人机通信界面和历史数据图表。 3.1 人机界面 S7-200 型PLC自带的MCGS动态运行环境仿真软件,可以通过相应的编程实现对整个恒压供水系统运行工况的实时动态监控,便于运行管理人员及时了解整个供水系统的运行情况。利用液晶显示屏将系统内的所有核心设备以模拟图形形式直观的传输给运行人员相关的数据信息,运行人员不仅能够从界面上了解设备的运行工况、特性参数,还可以通过调取历史数据,实时调整运行方式,保证水泵高效经济的运行。同时整个系统采用现地和远控相结合的综合控制方式上,运行人员在中控室和现地单元斗可以对水泵电机进行调控,实现了水泵电机的灵活调节方式。图3即为恒压供水系统人机互通界面图。 图3即是整个恒压供水系统的实时动态仿真图形。在界面中,不仅显示三台水泵电机的工作状况(水泵中心处有一圆点,红色为运行,绿色为停止)、电压值、进出口压力信号、管道总出水量等,还显示蓄水池的液位信号,远动压力传感器的压力信号。同时在主界面中设定了修改恒压值和离线检修两个模拟控制元件,通过点击对应的电子按钮,就可以对整个供水系统的参数进行手动设置,保证水泵电机处于高效经济的运行方式[5]。 3.2 故障检测界面 当恒压供水系统发生故障或事故后,系统进行自动检测到并发出对应的声光报警信号,并在故障报警界面处显示可能的故障类型和故障参数以显示出供水系统中故障类型和故障参数。当监控系统在自动检测扫描过程中,发现某台水泵出现非正常运行工况时,就会通过内部保护跳闸模块,将机组与电源安全切除,并通过报警器提醒运行人员进行对应元件或系统的整体检查维护。 3.3 压力值设置 对于运行过程中,运行人员可以根据系统的实际运行工况,调整输水管道内的供水压力,在人机界面上,通过参数设置电子按钮可以实现,也可以通过现地监控屏实现对水泵出口管网压力的设子,并保证中控室和现地单元的实时动态通信,保证数据共享,及时刷新相关的参数,便于系统内部自动调整控制,避免数据的非同步操作造成事故的发生,提高系统整体调节监控的稳定性。 4. 改造效益 电厂供水系统的PLC变频调速节能降耗改造工程的实施,会给电厂企业带来巨大的经济社会效益,主要表现在以下3个方面: (1)整个供水系统采用需水压力反馈信号与压力预设值的偏差分析,直接通过变频调速系统控制电机的电源频率,保证了水泵供水系统的供需平衡,达到了恒压供水的目的,提高了系统供水的整体可靠性的基础上,大大降低了电能消耗,增强了设备的综合使用寿命。 (2)采用现地与中控室相结合的动态两地调节监控控制系统,可以实现对水泵现地和中控相结合的控制方式,提高水泵运行调节的灵活性和整体运行效率。 (3)采用仿真软件编写相应的可视化动态仿真界面,便于运行人员实时了解整个供水系统设备运行工况,提高事故处理效率,保证了供水系统的安全可靠性,提高了企业在市场中的综合竞争力。 5. 结束语 利用PLC与变频器相结合对电厂供水系统进行节能降耗改造,实现了变频调速恒压供水的要求,能够实时动态调整电机电源频率,到达输入输出水压的平衡,可靠的为电厂机组提供稳定的水源,同时实现节能降耗的改造目的,提高了供水系统的综合生产运行水平。 参考文献: [1] 陈在平. 可编程控制器技术与应用系统设计[M]. 北京:机械工业出版社,2002. [2] 刘 霄,李海军,范洪达.基于LonWorks现场总线的恒压供水变频调速系统[J].测试技术学报2004,17(01):65-68. [3] 张建奇.数字PID变频调速在PLC恒压供水系统中应用[J].测控自动化.2004,(01):28-29. [4] 李丽敏,叶洪海,张玲玉.PLC恒压供水系统的设计[J].自动化与仪器仪表.2008,(01):19-20. [5] 赵勇刚,郁炜. 基于 PLC的供水系统变频节能的改造[J].机电产品开发与创新.2008,21(04):163-165.