摘要：随着电力电子技术的发展，交流变频调速装置的应用越来越广泛，而随着控制技术和控制手段的不断提高，变频调速发展到了矢量控制和PID控制的阶段，更有利于实现工业生产过程的自动化控制及良好的节能效果。针对兰州蓝星有限公司供水系统的运行状况，在原有设计的基础上进行节能改造，实现了泵组自动调节功能的同时具有故障显示和报警功能，有效地节省人力、资金，确保了供水系统及生产系统的平稳运行。
关键词：工业论文发表,节能改造,PID,PLC,变频调速系统,供水泵
1 概述
随着工业控制自动化需求的快速扩大，变频器节能、调速等功能在企业生产中发挥着重要的作用。充分利用变频器的各种功能，合理设计变频调速恒压供水系统，对我公司节约电能消耗、降低生产成本、稳定生产工艺等方面有着非常重要的意义。特别是变频器与灵活性强、可靠性高、控制速度快、易操作的可编程控制器(PLC)的结合，可实现多种功能，可满足不同的生产工艺和操作要求。
1.1 改造的必要性
本文的课题是：通过变频器的恒压供水变频调速系统，依据水压的变化自动调节系统的运行参数，实现水泵电机无级调速，从而保持水系统的供水稳定，以满足生产生活用水的需求。
1.2 水泵变频调速的节能原理
水泵变频调速比目前常用的阀门调节控制流量有着明显的节能效果。
图中曲线Ⅰ为水泵在恒速下的水压/流量(H/Q)特性，曲线Ⅱ为恒速下的功率/流量(N/Q)特性，曲线Ⅲ为管网的阻力特性(阀门开度为全开)。若水泵在设计时工作在A点时的效率最高，输出水量(流量)Q1为100%，此时的轴功率N1与Q1、H1的乘积面积AH1OQ1成正比。根据生产工艺的要求，当流量需从Q1减少到Q2(假设此时为50%流量)时，如通过采用调节阀门的方法，相当于增加了管网阻力，使管网阻力特性变为曲线Ⅳ，系统由原来的工况A点变到新的工况B点，从图中可以看出，水压反而增加了，轴功率N2与Q2、H2的乘积面积BH2OQ2成正比，其减少不多;若采用变频调速控制的方式(在保持原管网阻力不变的情况下)，水泵转速从n1降低到n2后，由水泵参数的比例定律可知，在转速n2下的水压/流量(H/Q)特性如曲线Ⅴ所示，可以发现，在满足同样流量Q2的情况下，水压大幅度降低到H3，功率N3同时也随着显著减少，节省的能量损耗△N=△HQ2与面积BH2H3C成正比，可以看出节能效果十分明显。
在Q减少的同时，泵的转速下降时，其功率降低比较明显。因此在水泵等输送流体的生产设备中，采用变频调速控制方式来调节流量，在节能效果上是一个切实可行的方法。
以我公司电机额定功率为Pe=450kW的3#循环水泵为例，假设满载时输出的轴功率等于电机额定功率，若需要的流量下降到80%的工况时(工况1)，采用调节阀门的方法，所需电源功率约为80%Pe;若采用变频调速时，所需电源功率为51%Pe。若需要的流量下降到50%的工况时(工况2)，采用调节阀门的方法，电机输出功率约为50%Pe，采用变频调速时，电机输出功率为13%Pe。我公司给排水共有550kW的水泵4台，在工况一的情况下，4台水泵年节约电费642721.2×4=2570884.8元。在工况二的情况下，4台水泵年节约电费820023.6×4=3280094.4元。
通过以上内容可以看出，在所需流量越低时，节约电能越明显，极大地降低了生产成本。
1.3 改造方案的可行性
改造方案是否可行需考虑以下五个因素：(1)满足生产用水，保持水系统的稳定;(2)技术的可行性;(3)操作的可行性;(4)是否节能和降低消耗;(5)改造费用。
该方案采用闭环的变频调速，依据水压的变化自动调节系统的运行参数，能保持水系统的稳定;从技术角度来说，利用变频器自带的PID调节器在线调速比较容易，同时利用PLC开关量的输入/输出来控制水泵的启、停及故障报警等，操作简单、可靠性高。故采用该方案改造现行的水泵运行状况是可行的。
2 改造方案
2.1 系统介绍
本恒压调速系统主要由1台可编程控制器(PLC)、1台变频器、压力传感器(液位传感器)和2台水泵组成，操作人员通过操作面板的按钮、指示灯来控制、监控供水系统的运行。
2.2 运行方案
本系统有两种运行模式：(1)手动运行模式。该模式主要供检修或变频器系统故障期间的运行;(2)自动切换变频/工频运行功能。变频器通常用于驱动某台固定水泵，并实时根据其输出频率控制辅助泵工频运行，即当变频器的输出频率达到PID上限时，启动辅助泵;而输出频率小于PID下限时，停止辅助泵，控制方案如图2所示：
2.3 控制原理
2.3.1 PID调节器控制。
第一，PID调节器概念。PID调节器控制是通过控制对象(水压)的传感器检测控制量(反馈量)，将其与目标值(设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。它是PI控制和PD控制的优点组合。PI控制是由比例控制(P)和积分控制(I)组合而成的，可以消除系统的静差，提高系统的控制精度和抗外界干扰能力;PD控制是由比例控制(P)和微分控制(D)组合而成，PD调节器在系统中能随误差信号的变化率而产生控制作用，从而在误差信号变大之前就能产生有效的控制，可以改善系统的动态响应速度，用于克服系统的惯性滞后，提高稳定性。采用PID方式能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。
第二，PID调节器控制原理。将压力设定信号和反馈信号送入PID回路调节器，由PID调节器进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。
水压反馈信号Y与设定值U进行比较，其偏差X经变频器的控制器运算后产生执行量Fi去驱动变频器，即当偏差X为正时，增加执行量，如果偏差X为负时，减小执行量，从而构成了以设定的压力为基准的闭环控制系统。为了保证水压反馈信号值的准确、不失真，且为了使PID控制系统稳定，可利用变频器自带的PID反馈滤波器对该信号设置滤波时间常数。
2.3.2 PLC系统。本系统中检测点及控制量较少，据其特点可采用我们经常使用的欧姆龙C28P-CDR-A型可编程控制器，该控制器输入16点，输出12点。该控制器与传统的继电器控制系统相比，具有控制的可靠性高、速度快等优点，实现手动/自动控制运行水泵及备用水泵，充分保证供水系统的稳定可靠运行。
为使本机组可靠工作，不至于因误操作而出现故障，应在C28P内部设定多种保护措施。
3 结语
供水系统通过变频调速改造后，可根据设定水压自动调节水泵电机的转速，在提高了供水系统稳定性的同时节约了电能。利用基于PLC的变频调速和PID控制功能对循环泵进行改造，为公司节能改造的进程起到一定的促进作用。
作者简介：李巧琳(1973-)，女，甘肃秦安人，兰州蓝星有限公司中级工程师，国家注册安全工程师，国家注册一级建造师(机电专业)，研究方向：电气安全管理、电气自动化控制;杨永刚(1972-)，男，甘肃镇原人，兰州蓝星有限公司中级工程师，国家注册监理工程师，国家注册一级安装建造师(机电专业)，研究方向：机电一体化、电气自动化控制、电气设备检维修。
