基于溫度控制變頻給水的改造

尹世耀

摘 要：首先分析了原始系統(tǒng)恒壓給水的不足之處，根據(jù)改善目標并對其進行了總體布局設(shè)計和監(jiān)控設(shè)計。利用三菱的溫度控制模塊Q64TCCT實現(xiàn)根據(jù)水溫的變化來控制水泵給水的多少，闡述了變頻給水的方案，根據(jù)總體方案的特點，分配PLC輸入輸出點模塊的選擇，具有一定的實用性和參考價值。

關(guān)鍵詞：溫度控制；變頻給水；改造

前言

供水控制，歸根結(jié)底，是為了滿足生產(chǎn)對流量及水溫的需求。流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象，但流量的檢測比較困難，費用也較高。考慮到在動態(tài)供水情況下，供水槽內(nèi)水的溫度的高低與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關(guān)：當供水能力大于用水量時，冷卻水槽內(nèi)水溫上升；當供水能力小于用水量時，則冷卻水槽內(nèi)水溫降低；當供水能力等于用水量時，則冷卻水槽內(nèi)溫度保持不變。可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在冷卻水槽內(nèi)水溫的變化上。從而溫度就成了用來作為控制流量大小的參變量，也就是說，保持冷卻水槽內(nèi)水溫恒定，也就保證了使供水能力和用水需求處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了生產(chǎn)的用水要求，這就是該系統(tǒng)變頻供水所要達到的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

1.1.1 生產(chǎn)過程中需對物料進行冷卻，該環(huán)節(jié)中高溫的物料從生產(chǎn)設(shè)備中擠壓出來，在冷卻水箱中經(jīng)過冷卻水進行冷卻，冷卻水是以恒壓送入冷卻水箱內(nèi)的，由于水泵沒有變頻器的控制，流量的大小通過手閥進行調(diào)節(jié)，水泵正常運轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)壓力將增高，管網(wǎng)壓力過高，水龍頭和輸水管道往往被損壞，這樣就會使管路中水壓增大，造成對管路的損害。

1.1.2 閥門調(diào)整使運行工況達到了要求，但降低了能量的有效利用比例，從而導致?lián)p耗能量增加，無論物料的多少冷卻水以衡量保持水箱內(nèi)水的循環(huán)，設(shè)備改善前是以進入水箱內(nèi)物料最大化為依據(jù)的設(shè)計進水量，但物料小于設(shè)計值時，就造成了供水的浪費。

1.1.3 水箱內(nèi)物料小于設(shè)計的最大值時，水箱內(nèi)水溫也與設(shè)計不一致，在工藝上會對物料的內(nèi)部形變產(chǎn)生不可控的影響。

1.2 方案設(shè)計分析

經(jīng)過改造后的冷卻水箱控制系統(tǒng)如圖1所示，該控制系統(tǒng)由冷卻水箱、冷卻水溫度傳感器、給水泵、冷卻水風冷風扇和儲水罐等組成。

2 硬件添加

2.1 在水冷箱的上面蓋板加裝7個冷卻風扇，在泄水口，增加手閥和電控閥，自動控制是使用電控閥控制水的排出，手閥用于設(shè)備維修或應(yīng)急使用。冷卻水箱內(nèi)有一個溫度傳感器、兩個液位開關(guān)。液位開關(guān)傳感器為開關(guān)量傳感器，測量水的水溫高低，反應(yīng)無水或水溢出狀態(tài)。

2.2 上位機是KEYENCE的VT系列VT3-S10，所以利用主體機設(shè)備的人機交互設(shè)備進行控制畫面設(shè)計，增加人機對話窗口，使操作更人性化。設(shè)定的冷卻水箱溫度在某一個溫度數(shù)值，當溫度高于該設(shè)定值時，冷卻系統(tǒng)啟動。

2.3 溫度傳感器檢測冷卻水箱內(nèi)的水溫，當溫度達到設(shè)定值30℃時，啟動冷卻風扇，降低水溫。如果冷卻水箱內(nèi)溫度在開啟風扇的狀態(tài)下，溫度繼續(xù)上升，當溫度達到35℃時增加進水量以降低冷卻水溫度。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)備的選用：根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出并結(jié)合主體設(shè)備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在本體設(shè)備的PLC基板插槽內(nèi)添加PLC模塊使用三菱的輸入模塊QX41，輸出模塊QY41P和溫度控制模塊Q64TCCT作為系統(tǒng)的控制模塊。

變頻調(diào)速給水系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

（1）采用恒壓調(diào)速，第一是提高水泵效率，第二是減少了用閥門節(jié)流引起的壓力損失，具有雙重節(jié)能效果。根據(jù)電機水泵水壓與流量的運行特性可知（在理想狀況下）：

泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n 1三者的關(guān)系如下式：

電機所耗功率與電機轉(zhuǎn)速3次成正比，即

N1/N=（n1/n）3

流量Q與電機轉(zhuǎn)速成正比，即

Q1/Q=n1/n

揚程與電機轉(zhuǎn)速的平方成正比，即

H1/H=（n1/n）2

電機軸功率P與水泵流量Q及揚程H之間有如下近似關(guān)系

P=2.73HQ/η，

式中：Q-額定流量；N-額定流量Q時的軸功率；n-水泵的額定轉(zhuǎn)速；H-揚程；P-電機軸功率；η-泵的效率

因額定流量Q=100%時，n=100%，N=100%，若n1=90%n時，Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可節(jié)電27.1%。若n1=80%n時，Q1=80%Q，N1=51.2%N，即可節(jié)電48.8%。當然，這種理論上的估算只能作為一個參考，在水泵的實際工作運行中，由于各種因素的影響，不可能完全達到這樣的節(jié)能效果。

通過現(xiàn)有的技術(shù)資料可知，采用變速調(diào)節(jié)，閥門全開狀態(tài)，無水壓損耗，根據(jù)工況的要求自動調(diào)節(jié)電機之速度，使之與負荷相適應(yīng)，使水泵適應(yīng)流量和揚程變化的要求，即在管道特性曲線基本不變時，采用改變轉(zhuǎn)速來改變泵的Q-H特性曲線。使它的工作點保持在高效段，達到輸入功率減少的目的。

（2）有效的控制了冷卻水箱內(nèi)水溫變化，以水溫為控制對象，使其在工藝允許的范圍內(nèi)變化，從而有效控制了物料在品質(zhì)方面的潛在隱患。

4 結(jié)束語

基于溫度控制變頻供水的改造，既在節(jié)能方面起到了顯著效果，同時在對供水管路等設(shè)備的使用壽命上也有改善，在工藝方面消除了不可控因素的影響。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高。無論從經(jīng)濟的角度考慮，還是從技術(shù)方面分析，具有一定的實用性和參考價值。

參考文獻

[1]吳啟紅.變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)實操指導書[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007，7.

[2]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[4]常斗南，王健琪，李全力.可編程控制器原理、應(yīng)用及通信基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[5]呂方.可編程序控制器應(yīng)用教程[M].北京：水利水電出版社，2003.endprint

摘 要：首先分析了原始系統(tǒng)恒壓給水的不足之處，根據(jù)改善目標并對其進行了總體布局設(shè)計和監(jiān)控設(shè)計。利用三菱的溫度控制模塊Q64TCCT實現(xiàn)根據(jù)水溫的變化來控制水泵給水的多少，闡述了變頻給水的方案，根據(jù)總體方案的特點，分配PLC輸入輸出點模塊的選擇，具有一定的實用性和參考價值。

關(guān)鍵詞：溫度控制；變頻給水；改造

前言

供水控制，歸根結(jié)底，是為了滿足生產(chǎn)對流量及水溫的需求。流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象，但流量的檢測比較困難，費用也較高。考慮到在動態(tài)供水情況下，供水槽內(nèi)水的溫度的高低與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關(guān)：當供水能力大于用水量時，冷卻水槽內(nèi)水溫上升；當供水能力小于用水量時，則冷卻水槽內(nèi)水溫降低；當供水能力等于用水量時，則冷卻水槽內(nèi)溫度保持不變。可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在冷卻水槽內(nèi)水溫的變化上。從而溫度就成了用來作為控制流量大小的參變量，也就是說，保持冷卻水槽內(nèi)水溫恒定，也就保證了使供水能力和用水需求處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了生產(chǎn)的用水要求，這就是該系統(tǒng)變頻供水所要達到的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

1.1.1 生產(chǎn)過程中需對物料進行冷卻，該環(huán)節(jié)中高溫的物料從生產(chǎn)設(shè)備中擠壓出來，在冷卻水箱中經(jīng)過冷卻水進行冷卻，冷卻水是以恒壓送入冷卻水箱內(nèi)的，由于水泵沒有變頻器的控制，流量的大小通過手閥進行調(diào)節(jié)，水泵正常運轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)壓力將增高，管網(wǎng)壓力過高，水龍頭和輸水管道往往被損壞，這樣就會使管路中水壓增大，造成對管路的損害。

1.1.2 閥門調(diào)整使運行工況達到了要求，但降低了能量的有效利用比例，從而導致?lián)p耗能量增加，無論物料的多少冷卻水以衡量保持水箱內(nèi)水的循環(huán)，設(shè)備改善前是以進入水箱內(nèi)物料最大化為依據(jù)的設(shè)計進水量，但物料小于設(shè)計值時，就造成了供水的浪費。

1.1.3 水箱內(nèi)物料小于設(shè)計的最大值時，水箱內(nèi)水溫也與設(shè)計不一致，在工藝上會對物料的內(nèi)部形變產(chǎn)生不可控的影響。

1.2 方案設(shè)計分析

經(jīng)過改造后的冷卻水箱控制系統(tǒng)如圖1所示，該控制系統(tǒng)由冷卻水箱、冷卻水溫度傳感器、給水泵、冷卻水風冷風扇和儲水罐等組成。

2 硬件添加

2.1 在水冷箱的上面蓋板加裝7個冷卻風扇，在泄水口，增加手閥和電控閥，自動控制是使用電控閥控制水的排出，手閥用于設(shè)備維修或應(yīng)急使用。冷卻水箱內(nèi)有一個溫度傳感器、兩個液位開關(guān)。液位開關(guān)傳感器為開關(guān)量傳感器，測量水的水溫高低，反應(yīng)無水或水溢出狀態(tài)。

2.2 上位機是KEYENCE的VT系列VT3-S10，所以利用主體機設(shè)備的人機交互設(shè)備進行控制畫面設(shè)計，增加人機對話窗口，使操作更人性化。設(shè)定的冷卻水箱溫度在某一個溫度數(shù)值，當溫度高于該設(shè)定值時，冷卻系統(tǒng)啟動。

2.3 溫度傳感器檢測冷卻水箱內(nèi)的水溫，當溫度達到設(shè)定值30℃時，啟動冷卻風扇，降低水溫。如果冷卻水箱內(nèi)溫度在開啟風扇的狀態(tài)下，溫度繼續(xù)上升，當溫度達到35℃時增加進水量以降低冷卻水溫度。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)備的選用：根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出并結(jié)合主體設(shè)備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在本體設(shè)備的PLC基板插槽內(nèi)添加PLC模塊使用三菱的輸入模塊QX41，輸出模塊QY41P和溫度控制模塊Q64TCCT作為系統(tǒng)的控制模塊。

變頻調(diào)速給水系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

（1）采用恒壓調(diào)速，第一是提高水泵效率，第二是減少了用閥門節(jié)流引起的壓力損失，具有雙重節(jié)能效果。根據(jù)電機水泵水壓與流量的運行特性可知（在理想狀況下）：

泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n 1三者的關(guān)系如下式：

電機所耗功率與電機轉(zhuǎn)速3次成正比，即

N1/N=（n1/n）3

流量Q與電機轉(zhuǎn)速成正比，即

Q1/Q=n1/n

揚程與電機轉(zhuǎn)速的平方成正比，即

H1/H=（n1/n）2

電機軸功率P與水泵流量Q及揚程H之間有如下近似關(guān)系

P=2.73HQ/η，

式中：Q-額定流量；N-額定流量Q時的軸功率；n-水泵的額定轉(zhuǎn)速；H-揚程；P-電機軸功率；η-泵的效率

因額定流量Q=100%時，n=100%，N=100%，若n1=90%n時，Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可節(jié)電27.1%。若n1=80%n時，Q1=80%Q，N1=51.2%N，即可節(jié)電48.8%。當然，這種理論上的估算只能作為一個參考，在水泵的實際工作運行中，由于各種因素的影響，不可能完全達到這樣的節(jié)能效果。

通過現(xiàn)有的技術(shù)資料可知，采用變速調(diào)節(jié)，閥門全開狀態(tài)，無水壓損耗，根據(jù)工況的要求自動調(diào)節(jié)電機之速度，使之與負荷相適應(yīng)，使水泵適應(yīng)流量和揚程變化的要求，即在管道特性曲線基本不變時，采用改變轉(zhuǎn)速來改變泵的Q-H特性曲線。使它的工作點保持在高效段，達到輸入功率減少的目的。

（2）有效的控制了冷卻水箱內(nèi)水溫變化，以水溫為控制對象，使其在工藝允許的范圍內(nèi)變化，從而有效控制了物料在品質(zhì)方面的潛在隱患。

4 結(jié)束語

基于溫度控制變頻供水的改造，既在節(jié)能方面起到了顯著效果，同時在對供水管路等設(shè)備的使用壽命上也有改善，在工藝方面消除了不可控因素的影響。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高。無論從經(jīng)濟的角度考慮，還是從技術(shù)方面分析，具有一定的實用性和參考價值。

參考文獻

[1]吳啟紅.變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)實操指導書[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007，7.

[2]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[4]常斗南，王健琪，李全力.可編程控制器原理、應(yīng)用及通信基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[5]呂方.可編程序控制器應(yīng)用教程[M].北京：水利水電出版社，2003.endprint

摘 要：首先分析了原始系統(tǒng)恒壓給水的不足之處，根據(jù)改善目標并對其進行了總體布局設(shè)計和監(jiān)控設(shè)計。利用三菱的溫度控制模塊Q64TCCT實現(xiàn)根據(jù)水溫的變化來控制水泵給水的多少，闡述了變頻給水的方案，根據(jù)總體方案的特點，分配PLC輸入輸出點模塊的選擇，具有一定的實用性和參考價值。

關(guān)鍵詞：溫度控制；變頻給水；改造

前言

供水控制，歸根結(jié)底，是為了滿足生產(chǎn)對流量及水溫的需求。流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象，但流量的檢測比較困難，費用也較高?？紤]到在動態(tài)供水情況下，供水槽內(nèi)水的溫度的高低與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關(guān)：當供水能力大于用水量時，冷卻水槽內(nèi)水溫上升；當供水能力小于用水量時，則冷卻水槽內(nèi)水溫降低；當供水能力等于用水量時，則冷卻水槽內(nèi)溫度保持不變?？梢?，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在冷卻水槽內(nèi)水溫的變化上。從而溫度就成了用來作為控制流量大小的參變量，也就是說，保持冷卻水槽內(nèi)水溫恒定，也就保證了使供水能力和用水需求處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了生產(chǎn)的用水要求，這就是該系統(tǒng)變頻供水所要達到的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

1.1.1 生產(chǎn)過程中需對物料進行冷卻，該環(huán)節(jié)中高溫的物料從生產(chǎn)設(shè)備中擠壓出來，在冷卻水箱中經(jīng)過冷卻水進行冷卻，冷卻水是以恒壓送入冷卻水箱內(nèi)的，由于水泵沒有變頻器的控制，流量的大小通過手閥進行調(diào)節(jié)，水泵正常運轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)壓力將增高，管網(wǎng)壓力過高，水龍頭和輸水管道往往被損壞，這樣就會使管路中水壓增大，造成對管路的損害。

1.1.2 閥門調(diào)整使運行工況達到了要求，但降低了能量的有效利用比例，從而導致?lián)p耗能量增加，無論物料的多少冷卻水以衡量保持水箱內(nèi)水的循環(huán)，設(shè)備改善前是以進入水箱內(nèi)物料最大化為依據(jù)的設(shè)計進水量，但物料小于設(shè)計值時，就造成了供水的浪費。

1.1.3 水箱內(nèi)物料小于設(shè)計的最大值時，水箱內(nèi)水溫也與設(shè)計不一致，在工藝上會對物料的內(nèi)部形變產(chǎn)生不可控的影響。

1.2 方案設(shè)計分析

經(jīng)過改造后的冷卻水箱控制系統(tǒng)如圖1所示，該控制系統(tǒng)由冷卻水箱、冷卻水溫度傳感器、給水泵、冷卻水風冷風扇和儲水罐等組成。

2 硬件添加

2.1 在水冷箱的上面蓋板加裝7個冷卻風扇，在泄水口，增加手閥和電控閥，自動控制是使用電控閥控制水的排出，手閥用于設(shè)備維修或應(yīng)急使用。冷卻水箱內(nèi)有一個溫度傳感器、兩個液位開關(guān)。液位開關(guān)傳感器為開關(guān)量傳感器，測量水的水溫高低，反應(yīng)無水或水溢出狀態(tài)。

2.2 上位機是KEYENCE的VT系列VT3-S10，所以利用主體機設(shè)備的人機交互設(shè)備進行控制畫面設(shè)計，增加人機對話窗口，使操作更人性化。設(shè)定的冷卻水箱溫度在某一個溫度數(shù)值，當溫度高于該設(shè)定值時，冷卻系統(tǒng)啟動。

2.3 溫度傳感器檢測冷卻水箱內(nèi)的水溫，當溫度達到設(shè)定值30℃時，啟動冷卻風扇，降低水溫。如果冷卻水箱內(nèi)溫度在開啟風扇的狀態(tài)下，溫度繼續(xù)上升，當溫度達到35℃時增加進水量以降低冷卻水溫度。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)備的選用：根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出并結(jié)合主體設(shè)備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在本體設(shè)備的PLC基板插槽內(nèi)添加PLC模塊使用三菱的輸入模塊QX41，輸出模塊QY41P和溫度控制模塊Q64TCCT作為系統(tǒng)的控制模塊。

變頻調(diào)速給水系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

（1）采用恒壓調(diào)速，第一是提高水泵效率，第二是減少了用閥門節(jié)流引起的壓力損失，具有雙重節(jié)能效果。根據(jù)電機水泵水壓與流量的運行特性可知（在理想狀況下）：

泵的功率N1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)速n 1三者的關(guān)系如下式：

電機所耗功率與電機轉(zhuǎn)速3次成正比，即

N1/N=（n1/n）3

流量Q與電機轉(zhuǎn)速成正比，即

Q1/Q=n1/n

揚程與電機轉(zhuǎn)速的平方成正比，即

H1/H=（n1/n）2

電機軸功率P與水泵流量Q及揚程H之間有如下近似關(guān)系

P=2.73HQ/η，

式中：Q-額定流量；N-額定流量Q時的軸功率；n-水泵的額定轉(zhuǎn)速；H-揚程；P-電機軸功率；η-泵的效率

因額定流量Q=100%時，n=100%，N=100%，若n1=90%n時，Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可節(jié)電27.1%。若n1=80%n時，Q1=80%Q，N1=51.2%N，即可節(jié)電48.8%。當然，這種理論上的估算只能作為一個參考，在水泵的實際工作運行中，由于各種因素的影響，不可能完全達到這樣的節(jié)能效果。

通過現(xiàn)有的技術(shù)資料可知，采用變速調(diào)節(jié)，閥門全開狀態(tài)，無水壓損耗，根據(jù)工況的要求自動調(diào)節(jié)電機之速度，使之與負荷相適應(yīng)，使水泵適應(yīng)流量和揚程變化的要求，即在管道特性曲線基本不變時，采用改變轉(zhuǎn)速來改變泵的Q-H特性曲線。使它的工作點保持在高效段，達到輸入功率減少的目的。

（2）有效的控制了冷卻水箱內(nèi)水溫變化，以水溫為控制對象，使其在工藝允許的范圍內(nèi)變化，從而有效控制了物料在品質(zhì)方面的潛在隱患。

4 結(jié)束語

基于溫度控制變頻供水的改造，既在節(jié)能方面起到了顯著效果，同時在對供水管路等設(shè)備的使用壽命上也有改善，在工藝方面消除了不可控因素的影響。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高。無論從經(jīng)濟的角度考慮，還是從技術(shù)方面分析，具有一定的實用性和參考價值。

參考文獻

[1]吳啟紅.變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)實操指導書[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007，7.

[2]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[4]常斗南，王健琪，李全力.可編程控制器原理、應(yīng)用及通信基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[5]呂方.可編程序控制器應(yīng)用教程[M].北京：水利水電出版社，2003.endprint