1  引言
    　變頻調速技（jì）術是近十幾年來迅速發展起（qǐ）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（píng）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（yuè）多的企業的青睞，被應用到工業（yè）生產控製過程（chéng）中的任何場合，顯著（zhe）的節能效（xiào）果給眾多（duō）的企業帶來了巨大的（de）經濟（jì）效益。特別是（shì）近幾（jǐ）年來隨著IGBT功率元（yuán）件和DSP微處理係統在變頻器中的應用，變（biàn）頻器本身已非常成熟（shú），使得變頻調速技術的優越性更加突出（chū），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（dài）工業生產（chǎn）是複雜多樣的，它們對控製的要求也各不相同。可編程控製器(PLC)由（yóu）於具有（yǒu）以下特點而深受工廠工（gōng）程技術人員的歡迎。
　　(1) 可靠性高，抗幹擾能力強
其平均無故障（zhàng）時間大大超過IEC規定的10萬小時，同時，有些（xiē）PLC還采用了冗餘設計和（hé）差異（yì）設計，進一步提高了其可靠（kào）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，易於使用
   　 梯形圖語言和順控流程圖語言(Sequential Function Chart)使編程簡單方便。
　　(4) 控製係（xì）統設計、安裝、調試方便
   　 設計人員（yuán）隻要有PLC就可進（jìn）行控製係統設計，並可在實驗室進行模擬調（diào）試（shì）。
　　(5) 維修方便，工作量小
    　PLC有完善的自診斷（duàn）、曆史資料存儲及監視功（gōng）能（néng），工作人（rén）員可以方便的查出故障原（yuán）因（yīn），迅速（sù）處理（lǐ）。
　　(6) 功能完善
    　除基本的邏輯控製、定時、計數、算術運（yùn）算等功能外，配合（hé）特殊功能塊，還可以實現點位控製、PID運算、過程控製（zhì）、數（shù）字控製等功能，既方便工廠管理又可與上位機通信，通過遠程（chéng）模塊還可以控製遠方設備。
由於具有以上特點，使得PLC的應用範圍極為廣泛，可以（yǐ）說隻要有工廠、有控製要求，就會有PLC的應用。
　　2  係統（tǒng）構（gòu）成及（jí）控製方案
　　2.1 係統構成
    　一拖二（èr）(一台變頻器控製兩台電（diàn）機（jī）)變頻（pín）恒壓供水控製係統由變頻器、信號采集及處理係統和控製係（xì）統3部分（fèn）組成。
　　(1) 變頻器
    　此係統對變頻器（qì）的（de）要求不高，現有國內外各（gè）品牌變頻器基本都能滿足技術要求，在此我們以西門子（zǐ）MM430變頻器為例。此變頻器經（jīng）過幾番更新換代（dài），質量更加可靠、性能更加穩定，與國（guó）外其他品牌相比（bǐ）性能價格比較高。隻是此變頻器多功能數字輸入端子沒有對兩路模擬輸入（rù）信號的切換功能，隻（zhī）能通過外（wài）部繼電器切換。
　　(2) 信（xìn）號采集及處理係統
    　該係統主（zhǔ）要由傳感（gǎn）器及（jí）PID調節器等組（zǔ）成，對就地采集的信號進行處理和轉換，為控製係統提（tí）供一個準確（què）可利（lì）用的信號。
　　(3) 控製係統
    　該控製係統由按（àn）鈕、繼電（diàn）器、PLC等電（diàn）子電氣元件組成。該係統作為變頻調速控製主體，可控製水泵的起停、加減速運轉以及泵間的（de）相互切（qiē）換（huàn）等。主要電氣元件均采用西（xī）門子產品。SIMATIC S7-200可（kě）編程序（xù）控製器是模塊化中小型PLC係統，能滿足（zú）中等性能要求的應用;大範圍的各種功能模塊（kuài）可以非常好（hǎo）的滿足和適應自動控製任（rèn）務，各種單獨的模塊之間組合以用於擴展;簡單實用的分散式結構和多界麵網絡能力，使得應用十分靈活;方便用戶和簡易的無風扇設計（jì）;當控製任務增加時（shí），可以自由擴展;大範圍的集成功（gōng）能使得它的功能非常強勁。多（duō）種的性能遞增的CPU和豐富的且帶（dài）有許多方便功能的I/O擴展模塊，使用（yòng）戶（hù）可以完全根據實際（jì）應用選擇合適的模塊。當任務規模擴（kuò）大，可隨時使用附加模塊對PLC進行擴展。考慮其性能和點數，係統選用西門子S7-224繼電器輸入輸（shū）出型。
 　　2.2 控製係統方案
    　為（wéi）了（le）實現恒（héng）壓力（lì）供水的目的，係統采用閉環控製，同時考慮係統的（de）安全性（xìng），附加開環控製，作為備用。開環、閉環之間可以方便的（de）進行轉換。壓力（lì）傳感器進行實時檢測，並將檢測到的管道水壓信號經過轉換後傳（chuán）送（sòng）給PID調節器，PID調節器將此信號與給（gěi）定值進行比較後，經過一係列的運算將輸出一個標準的控製信號給本係統的執行器－變頻器，變頻器根據調節（jiē）器輸出信號的變化來改變其輸出頻率（lǜ），進（jìn）而改變水泵電機的轉速，以此來（lái）控製出（chū）水（shuǐ）量的大小。由於變頻器（qì）的（de）輸出頻率在0~50Hz範圍內連續可調，當用水量較小時，水泵維持低（dī）速運行，當（dāng）用水量增大致使壓（yā）力降低時，變頻（pín）器輸（shū）出頻率會一直上升到50Hz時（shí）,因（yīn）此當壓力發生變化時， 係統會自動調節（jiē）出口水量，使壓力始終（zhōng）在設定值附近波動並終達到設定值，從而實現（xiàn）了恒壓力供水的目的。
　　(1) 係統功能
    　可以根據需要，設（shè）定壓力值，係統自動進行循環（huán）啟動，實現恒壓供水，係統的響應速度快，穩（wěn）定性好（hǎo）;
    　係統設有手動、自動控製模式: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，並且可（kě）以設定由工（gōng）頻啟動還是變頻啟動;在自（zì）動方（fāng）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、自動控製模式:當係統在自動方式下完全啟動以後，可以（yǐ）不停機（jī）直接切換到手動狀態下（xià）運行;
    　每（měi）台泵都設有變頻/工頻兩種狀態，在自動運行模（mó）式下，任一台泵隻有處於變頻狀（zhuàng）態，才能由PLC控製（zhì）進（jìn）入（rù）循環軟啟序列;
    　具有（yǒu）顯示報警功能,係統（tǒng）設置有各種顯示功（gōng）能，可以顯示電壓、電（diàn）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（bǎo）護（hù）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（dòng）係統後，控（kòng）製係統（tǒng）通過變頻器啟動（dòng）一台處於（yú）變頻狀態的水泵電機。當電機達到滿速以後，如果檢測壓力仍達不到設定要求，控製係（xì）統會自（zì）動地將該泵由變頻（pín）切換到工頻，然後（hòu）由變頻（pín）器自動啟動另外一台處於變頻（pín）狀態的水泵電機。當檢測到的壓力值偏（piān）高且變頻器運轉在下限頻率時，則第一台工頻運行的水泵電機將自動停機;若再需加泵時，控製係統會（huì）自（zì）動將變頻運行的水泵切換至工（gōng）頻（pín）運行，然後再變（biàn）頻啟動另外一台處於變頻狀態的（de）備用泵;以此（cǐ）順序運行（háng），直到出口（kǒu）壓力達到設定的要求值。
   　 在（zài）手（shǒu）動運行模式下，由人工根據壓力表顯示的壓力情況（kuàng）進行現場（chǎng）手動啟動單台泵，並且可以設定（dìng）是由工頻（pín）啟動還是由（yóu）變頻啟（qǐ）動。對（duì）於變頻運行泵，可（kě）以通過手調信號給定電位器來調節水泵電機轉速的快慢。
    　此係統優（yōu）點是自動調節供水動力範圍大，不（bú）用經常人（rén）工起停水泵，因而自動化程度高（gāo），減小了電機（jī）長期滿負荷運轉所造成的磨損，延長了設（shè）備的使（shǐ）用壽命。
　　(3) 控製（zhì）係統原理圖（tú）    　此係統中，PLC作為（wéi）係統的控製核心，起著至關重要的作用。尤其變頻自動加減泵的過程，關（guān）係到係統的安全和調節的平滑性，在編程的過程中應該注意。其原（yuán）理圖如圖1所示（shì）。
圖1    PLC控製係統原理圖
    　變頻（pín）器及控製係統的其（qí）它電子電氣元件作為本係統的執行機構，作為變頻調速控（kòng）製主體（tǐ），可控製水泵的起停、加減（jiǎn）速運（yùn）轉以（yǐ）及泵間的相互切（qiē）換等。其原理圖如圖2所示。

圖2     變頻器切換控製原理（lǐ）圖
　　3  節能原理（lǐ）
   　 水泵為平方轉矩負載，即水泵的負（fù）載轉矩與轉速（sù）的平方成正比，而（ér）軸功率和負（fù）載轉矩與轉速的乘（chéng）積成正比，因此，水泵的軸功率與電機轉速（sù）的立方成正比。
    　由此可知，當要求出水（shuǐ）量減少時，可使電機轉（zhuǎn）速降低（dī），而電機轉（zhuǎn）速微量減少，將使功率大幅下降，節能效果十分（fèn）明顯。本變（biàn）頻調速係統經過優化設計，精心的設備選型，合理的編程，配合正確的信號（hào）給定，使得（dé）電機始終處於佳運行狀（zhuàng）態，節能（néng）挖潛（qián）得到了大的發揮。
　　4  投資回報及（jí）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（chéng）的節流損失（shī）和關閉閥門運行時電機所做的無用功，按每年運（yùn）行300天閥（fá）門平均開度80%計算（suàn），22kW電機年（nián）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（kě）節約電費
　　M=7.79×0.40=3.116萬元
　　4.2 間接效益
    　(1) 水泵進（jìn）行變頻調速改造以後，由於係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（xiū）周期，減少（shǎo）了維修費（fèi）用（yòng）和由此帶來（lái）的直接經濟損（sǔn）失;
   　 (2) 係統采取（qǔ）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（jī）燒損（sǔn）而影響生產所帶來的直接和間接（jiē）經濟損（sǔn）失。
　　5  結束語
    　用變頻調速和PLC來實現恒壓（yā）供水，與用調節閥（fá）門來實現恒壓供水（shuǐ）相比較，節能效果十分顯著。其優點是:起動平穩，起動電流可限製在額定電（diàn）流以（yǐ）內，從而避免了起動時對電網的衝擊（jī）;由（yóu）於泵的平均轉速降低了（le），從而（ér）可延長泵和閥門等的使用壽命;可（kě）以消除起動（dòng）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（dì）減輕了對環境（jìng）的汙染。本係統經多年應（yīng）用與完善，性能優越，安全方（fāng）便，深得用戶好評。

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