浅谈基于 PID控制的冷却水泵变频节能改造

陈伟

摘要：本文就节能技术中的变频器在循环冷却水泵上的应用及基于PLC的PID控制在循环供水系统中的应用做几点探讨，以企业原有西门子S7-400PLC/WinCC为核心，结合变频器、温度压力传感器等，构成了变频供水系统。通过PID控制变频器驱动电机技术，动态调节磺化反应器冷却水温度，实现节能增效。

关键词：变频调速 PLC PID控制

磺化反应是放热反应，反应器温度靠循环冷却水系统调节，我们在技术改造过程中考虑如何节能高效地利用循环水冷却系统，确保装置安全运行。

该循环水系统由2台55KW离心水泵和热水自回流管道组成。冷水泵“一用一备”，由中控室当班操作工操作，远程启动。循环水设计压力0.25MPa，设计供水量为400 m3/h，。在生产过程中，电机运行电流为88A，给水压力为0.3Mpa，实际供水量为200～300m3/h。

循环冷却水调节由操作员根据生产工艺，实时手动调节磺化反应器冷却水供水阀门。

1、现状分析

直接改变节流阀的开度，从而改变控制阀两端节流损失压头，造成管路特性变化，以达到控制目的。该方案简单可行，但缺点如下：

（1）启动电流高，电机直接启动其电流约为额定电流的4-7倍。会对供电系统造成冲击，不利于系统中其他设备的安全运转。另外，水泵直接启动时，使管道内水速骤然变化，造成水击，影响阀门、管道使用寿命。

（2）水泵供水量与动态需量不一致，控制阀开度较小时，阀上压降大，损耗功率相当大，电能浪费严重。不同的环境温度下，装置冷却需要动态调节供水量150～330m3/h可满足装置不同工况下冷却需求。

（3）控制方式落后，操作时间长、效率不高，也不便于工艺的精确控制。

2、PID控制变频改造后分析

（1）原控制方式要求电网装机容量大，启动时会冲击电网造成电压波动，管网内压力骤然变化对管道阀门使用寿命也有负面影响。改造后，变频启动，电机电流由小到大平稳上升，减小了对供电容量的要求及对电网的冲击，软启动使动态转矩大幅减小，软停止有效避免水击，减小了对阀门管道的冲击，延长相关设备使用寿命，节省了设备的维护费用。

（2）通过控制泵的转速以改变泵的特性曲线，来达到控制流量的目的。同样的流量下，泵的转速升高会使压头H增加，在一定的管路特性曲线下，改变泵的转速来调节流量 ，该方案更为经济。

（3）循环水泵控制方式由原来人工手动调节，改造后循环水冷却水量采用PID控制（闭环控制系统），通过装设在供水管路上的压力变送器及磺化装置冷却回水管路上的温度变送器及中控PLC形成闭环控制系统，自动调节水泵电机给定频率，从而调节冷却水供水流量。既实现了工艺过程精确控制温度，又减轻了工人劳动强度。

3、改造后节能效果分析及控制系统优化

（1）阀门调节流量时电量电价

根据实际测量，全开调节阀时泵电机电流约88A，40%阀门开度时的泵电机电流为65A，阀门节流消耗的功率为

P阀 =UICOSφ= 1.732×0.4×65×0.8 =36kw

按年运行8400小时计算，年耗成本(M1) =36kw×8400h ｘ0.68元=205632元

（2）变频调节流量时电量电价

单台冷水泵的流量400 m3/h，而装置对循环水实际需求量在150-330m3/h，改造后使用变频调速调节流量，输出频率30Hz即可满足冷却流量要求。在变频运行时，电机电流为41.2A，电机输出功率为：

P电机 =UICOSφ =1.732×0.4×41.2×0.80=22.83kw

年耗电成本（M2）：= 22.83kw×8400h×0.68元 = 130405元

（3）年度直接节电效益（M3）

节电率 = （P阀 - P电机）/ P阀 = (36-22.83)/36 = 36.5%

年度节电费用M3=M1-M2= 205632-130405=75227元

变频改造以后，解决了电机启动时的大电流冲击和管路水击问题，延长了阀门、水泵寿命，大大降低了维护保养费用。

2、控制系统优化（PID控制）

（1）控制系统相关概念

根据工艺流量压力要求，应用PLC 、压力传感器，采用ABBACS510-01-125A-4变频器控制两台55kW水泵，向生产装置供水。

基于PLC和工控计算机的两级分布式控制系统。WinCC是SIMATIC PCS 7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件。操作人员通过Wincc软件执行生产操作管理。生产现场的数据采集及过程控制等由西门子S7-400完成。

（2）自动控制流程简介和算法

a.自动控制流程简介

SIMATIC Manager 中设置PID参数及PID量程转换，根据磺化反应器冷却水出口温度及循环水压力的变化调节水泵变频器的给定转速值。

b.PID控制

PID比例积分微分控制可以使系统获得较高的控制质量，适用于容量滞后大、负荷变化大的磺化反应器的温度控制

c.PLC控制

在SIMATIC Manager软件中，使用功能块FC102 AI模块、FC101 PID量程转换和DB5 PID参数及DB20 串极参数。当传感器检测到水温及压力高或低时，通过模拟量输入AI，将检测到信号传递给FC101，经FC101转化成数字量信号到FC102。FC102又将数字量转成模拟量输出信号到AO，控制变频器频率。

d.ABB ACS510变频器参数的设置

变频器设置应用宏选用PID控制宏，设置参数9902的值为6(PID CTRL)，模拟给定AI1 实际值AI2。

e.WinCC监控系统界面

监控界面包括：水压设定值、水压检测值、手动/自动运行、变频水泵运行状态、运行时间显示、故障报警显示等。

4、结束语

本系统采集供水压力及磺化器冷却回水温度信号，通过PID计算后，PLC控制变频器调节水泵电动机的转速，自动调节水泵供水流量。实施基于PID控制变频节能改造后，节约了大量的电能，改善了工艺过程，延长设备的使用寿命。

参考文献：

1 郭立君《泵与风机》第三版 中国电力出版社 2004

2 姚锡禄 《变频器技术应用》电子工业出版社 2009