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 孟彥京  耿娜娜*  馬匯海  趙  丹

 （陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安，710021）

摘要：分析了水環(huán)真空泵運行控制的原理。為了實現(xiàn)水環(huán)真空泵的水環(huán)節(jié)能控制，設(shè)計了基于PLC的節(jié)能控制裝置方案，該方案包括系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計和整體軟件沒計，同時增加r上位機控制設(shè)計，便于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。根據(jù)實驗實測的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析，證明水環(huán)真空泵在一定的水環(huán)下工作，可以實現(xiàn)在保證真空度穩(wěn)定的前提下節(jié)約電能和水能，同時提高水環(huán)真空泵的工作效率。

  關(guān)鍵詞：水環(huán)真空泵；PLC；變頻器；水環(huán)；節(jié)能

  中圖分類號：T5736DOI:10．I 1980/j. issn. 0254-508X．2016. 04. 010

  水環(huán)真空泵是紙機網(wǎng)部耗能較大的設(shè)備，在實際生產(chǎn)中，水環(huán)真空泵通常采用一個固定閥門直接供水，往往忽視了對其節(jié)能、節(jié)水的考慮。能耗成本是造紙工業(yè)主要的成本支出。因此，為避免能源浪費，研究新型水環(huán)真空泵的水環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)十分重要。筆者根據(jù)自身相關(guān)經(jīng)驗并結(jié)合水環(huán)真空泵的工作原理，從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面對水環(huán)真空泵的水環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)進行闡述，并對實驗的實測數(shù)據(jù)進行了分析。

1工作原理

 水環(huán)真空泵由葉輪、泵體、吸排氣盤、水在泵體內(nèi)壁形成的水環(huán)、吸氣口、排氣口等組成。

 水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，葉輪與泵體呈偏心配置，當(dāng)葉輪順時針旋轉(zhuǎn)時，在泵體中形成密閉水環(huán)，水環(huán)與葉輪構(gòu)成月牙形空間。右邊半個月牙形的容積由小變大而形成吸氣孔，左邊半個月牙形的容積由大變小而成壓縮過程（相當(dāng)于排氣孔）。被抽氣體由進氣口進入吸氣孔，轉(zhuǎn)子進一步轉(zhuǎn)動，使氣體受壓縮，經(jīng)排氣口排出。排出的氣體和水滴由排氣管道進入水箱，此時氣體從水中分離出來，經(jīng)管道排到大氣中，水由水箱進入泵中，或經(jīng)過管道排到排水設(shè)備中。在水環(huán)真空泵的連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中，不斷地進行吸氣、壓縮、排氣3個過程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。

2節(jié)能原理

2.1  水環(huán)真空泵的節(jié)能原理

 由真空泵抽率公式．S= Q/P1可以看出，當(dāng)真空系統(tǒng)漏氣率Q恒定時，機械泵有效抽速S與需要達(dá)到的預(yù)真空度P1呈反比例關(guān)系。P1越小，需要機械泵的有效抽率越大；如P1的值大于實際需要的值，就存在過剩真空而造成機械泵有效抽率的浪費。

 由S= Q/P1可以得出P1=Q/S，從該式可以看出，生產(chǎn)需要的真空度P1可以作為調(diào)節(jié)量，以此按照生產(chǎn)工況來設(shè)定一個P0值，通過PID控制調(diào)節(jié)變頻器的頻率大小，從而調(diào)節(jié)機械泵的有效抽率達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2改變水環(huán)的節(jié)能原理

 在工業(yè)現(xiàn)場使用過程中，水環(huán)真空泵通常采用一個固定閥門控制供水量的直接供水方式。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定且水位在一定范圍內(nèi)時，水位高所形成的水環(huán)大，水位低所形成的水環(huán)小，即當(dāng)水環(huán)偏大時，會使功耗增加，故水環(huán)真空泵效率下降，電能損耗加大；同時，又由于供水管道供水量隨工作狀態(tài)的變化而變化，這就使得水環(huán)真空泵的真空度受到一定的影響，又增加了能源損耗。本研究使水環(huán)真空泵電機轉(zhuǎn)速維持在正常真空度狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，人為控制使得水流以最佳的流速注入水環(huán)真空泵中，使其一直在最高效狀態(tài)下工作，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足。

3控制系統(tǒng)設(shè)計

 水環(huán)真空泵的水環(huán)節(jié)能控制裝置的硬件系統(tǒng)平臺主要包括通用上位機、PLC、水泵變頻器、真空泵變頻器、水泵電機、真空泵電機、水泵、水環(huán)真空泵、真空箱、真空度傳感器和真空壓力表。

 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由圖2可知，真空度傳感器將采集到的真空箱內(nèi)實際的真空度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC中，與預(yù)設(shè)的真空度標(biāo)準(zhǔn)值進行PID調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，確定是否控制真空泵變頻器，進而控制真空泵電機的轉(zhuǎn)速，用水環(huán)真空泵來調(diào)節(jié)真空箱內(nèi)的真空度，同時真空泵變頻器將功率值反饋回PLC中。水流量大小的控制通過上位機設(shè)定不同給定值，使PLC輸出信號控制水泵變頻器，進而控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，來改變水環(huán)真空泵內(nèi)的給水量。真空壓力表用來顯示當(dāng)前真空箱內(nèi)的真空度。

3.1硬件設(shè)計

 本研究采用“三級傳動”的控制模式，即將PLC與上位機相結(jié)合。其中上位機提供了實驗軟件系統(tǒng)的開發(fā)平臺，主要根據(jù)實驗要求，通過編程和組態(tài)來控制PLC。PLC作為水環(huán)真空泵節(jié)能控制裝置的核心控制器，實現(xiàn)程序中各種量的計算與控制。

 硬件系統(tǒng)接線圖如圖3所示，PLC采用西門子公司的CPU226 S7-200型，通過PLC的2個數(shù)字量輸出端口來控制繼電器的得電與失電，從而實現(xiàn)對電機啟停的控制；同時通過PLC的2個數(shù)字量輸入端口來反饋變頻器運行狀態(tài)。I/O控制模塊采用SM231和SM232型，通過2個模擬量輸入和2個模擬量輸出，實現(xiàn)對水環(huán)真空泵變頻器功率和實際真空度的采集，

對水泵變頻器和真空泵變頻器的頻率控制。連接模擬量的線采用帶有屏蔽層的電纜，以免造成信號的干擾，影響測量精度。水泵變頻器和真空泵變頻器均采用ABB公司生產(chǎn)的ACS800型，二者通過輸入端子實現(xiàn)變頻器速度給定，三相輸出端子實現(xiàn)對電機的控制，同時啟動聯(lián)鎖，其中真空泵變頻器通過輸出端子實現(xiàn)功率反饋。

3.2軟件設(shè)計

 軟件系統(tǒng)模塊主要包括：人機界面模塊、數(shù)據(jù)采集計算、模擬量采集、真空度PID計算和電機啟停。

 人機界面模塊是水環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)的人機交換平臺，用于人機系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)據(jù)給定、顯示系統(tǒng)的狀態(tài)以及系統(tǒng)狀態(tài)的調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集模塊可以實現(xiàn)節(jié)能系統(tǒng)的手動編輯與修改，從外部導(dǎo)人數(shù)控程序，檢驗數(shù)控程序的語法錯誤，對節(jié)能控制程序進行處理，包括給水量指令和給定功率等。PID模塊用來調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，真空度通過反饋傳遞到輸入端，反饋和輸入共同調(diào)節(jié)系統(tǒng)使真空度達(dá)到最終的穩(wěn)定。電機啟停模塊用來控制給水電機以及真空泵電機的啟停，在啟動水環(huán)真空泵前，先通過電機啟停模塊啟動水泵給水電機，當(dāng)水環(huán)真空泵中的水達(dá)到一定程度再啟動水環(huán)真空泵。同理，要停止設(shè)備時，先通過電機啟停模塊停止水環(huán)真空泵，當(dāng)水環(huán)真空泵完全停止之后再停止給水電機。

3.2.1 PLC控制程序設(shè)計

 采用由西門子公司提供的STEP7 -Micro/WIN32V3.1編程軟件來完成PLC控制程序的編譯，能夠在主程序中分別調(diào)用所需的數(shù)據(jù)采集計算、模擬量采集、真空度PID計算、電機啟停等子程序。因此本研究的主程序流程圖如圖4所示。

3.2.2  Win CC組態(tài)設(shè)計

 采用由Win CC編譯的上位機系統(tǒng)來形成人機界面，能夠通過計算機直接控制整個系統(tǒng)的運行、了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及穩(wěn)定程度，還可以通過改變參數(shù)的給定來改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)。具體編輯的畫面如圖5所示。

4實驗結(jié)果

 本次實驗采取控制變量法，首先設(shè)定一個真空度值，讓水環(huán)真空泵的進水流量達(dá)到該型號的最大進水量，且真空泵變頻器在一定頻率下運行，通過PID調(diào)節(jié)使實際真空度達(dá)到設(shè)定值。其次逐步減小水環(huán)真空泵的進水量，每減小一個量值，測定并記錄真空泵變頻器的功率反饋平均值和真空泵進水量值。最后在不同的真空度下，重復(fù)以上步驟并記錄。設(shè)置的3個真空度分別為30%、40%、50%，在每個真空度下設(shè)定的給水量分別為1700、1600、1500、1400、1300、1200、1100、1000、900、800、700 m L/min。在不同的真空度下變頻器功率反饋曲線如圖6～圖8所示。

 如圖6所示，當(dāng)設(shè)定真空度為30%時，隨著給水量的減小，真空泵反饋功率平均值曲線呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，并且根據(jù)圖像可看出，當(dāng)給水量為1400 m L/min時，真空泵反饋功率平均值最小。

 如圖7所示，當(dāng)設(shè)定真空度為40%時，隨著給水量的減小，真空泵反饋功率平均值曲線呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，并且根據(jù)圖像可看出，當(dāng)給水量為1200 m L /min時，真空泵反饋功率平均值最小。

 如圖8所示，當(dāng)設(shè)定真空度為50%時，隨著給水量的減小，真空泵反饋功率平均值曲線呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，并且根據(jù)圖像可看出，當(dāng)給水量為1200 m L /min時，真空泵反饋功率平均值最小。

 綜上可知，當(dāng)真空度不變時，真空泵反饋功率平均值的大小隨著真空泵給水量的改變而變化；并且在一定范圍內(nèi)，隨著真空泵給水量的減小真空泵反饋功率平均值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

5結(jié)論

 水環(huán)真空泵進水流量的大小可以影響真空度，在實際的應(yīng)用中，將水流量設(shè)定在一定的數(shù)值下，通過水環(huán)節(jié)能控制裝置的自我PI調(diào)節(jié)，真空泵變頻器在一個合適的頻率下工作，使得水環(huán)真空泵運行所消耗的功率和水流量最小，實現(xiàn)節(jié)能控制。在降低能耗和生產(chǎn)成本的同時，還可提高紙機生產(chǎn)線的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，幫助企業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。