水環(huán)真空泵的水環(huán)節(jié)能控制與研究

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)

?

·水環(huán)真空泵·

水環(huán)真空泵的水環(huán)節(jié)能控制與研究

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)

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)計和整體軟件設(shè)計,同時增加了上位機(jī)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。

水環(huán)真空泵；PLC；變頻器；水環(huán)；節(jié)能

(*E-mail: 1506647833@qq.com)

水環(huán)真空泵是紙機(jī)網(wǎng)部耗能較大的設(shè)備[1],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[2-3]。能耗成本是造紙工業(yè)主要的成本支出[4]。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(jìn)行闡述,并對實驗的實測數(shù)據(jù)進(jìn)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[4]。

圖1 水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)示意圖

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(jìn)氣口進(jìn)入吸氣孔,轉(zhuǎn)子進(jìn)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(jìn)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(jìn)入泵中,或經(jīng)過管道排到排水設(shè)備中[5- 6]。在水環(huán)真空泵的連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中,不斷地進(jìn)行吸氣、壓縮、排氣3個過程[7],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[8-9]

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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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[10]。當(dāng)電機(jī)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[11]。本研究使水環(huán)真空泵電機(jī)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(jī)、PLC、水泵變頻器、真空泵變頻器、水泵電機(jī)、真空泵電機(jī)、水泵、水環(huán)真空泵、真空箱、真空度傳感器和真空壓力表。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

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(jìn)行PID調(diào)節(jié),形成閉環(huán)控制系統(tǒng)[12],確定是否控制真空泵變頻器,進(jìn)而控制真空泵電機(jī)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(jī)設(shè)定不同給定值,使PLC輸出信號控制水泵變頻器,進(jìn)而控制水泵電機(jī)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(jī)相結(jié)合。其中上位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)啟停。

人機(jī)界面模塊是水環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)的人機(jī)交換平臺,用于人機(jī)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)入數(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(jìn)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(jī)啟停模塊用來控制給水電機(jī)以及真空泵電機(jī)的啟停,在啟動水環(huán)真空泵前,先通過電機(jī)啟停模塊啟動水泵給水電機(jī),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(jī)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(jī)。

圖3 硬件系統(tǒng)接線圖

圖4 主程序流程圖

3.2.1 PLC控制程序設(shè)計

采用由西門子公司提供的STEP7-Micro/WIN32 V3.1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(jī)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 WinCC組態(tài)設(shè)計

采用由Win CC編譯的上位機(jī)系統(tǒng)來形成人機(jī)界面,能夠通過計算機(jī)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。

圖5 WinCC組態(tài)示意圖

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(jìn)水流量達(dá)到該型號的最大進(jìn)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(jìn)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(jìn)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 mL/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 mL/min時,真空泵反饋功率平均值最小。

圖6 真空度為30%時不同水流量下的功率曲線

圖7 真空度為40%時不同水流量下的功率曲線

圖8 真空度為50%時不同水流量下的功率曲線

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 mL/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 mL/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(jìn)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(jī)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(jì)效益。

[1] Huang Yi. Some views on the development trend and design of water ring vacuum pump[J]. Vacuum, 2004, 41(4): 25.

黃 毅. 對水環(huán)真空泵發(fā)展趨勢及設(shè)計開發(fā)的幾點看法[J]. 真空, 2004, 41(4): 25.

[2] Wu Taizhong. Intelligent energy saving control of water ring vacuum pump[J]. Mechanical and Electrical Engineering Technology, 2006, 35(5): 77.

吳泰忠. 水環(huán)真空泵的智能化節(jié)能控制[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2006, 35(5): 77.

[3] SUN Shou-hong. Paper Machine Vacuum System of Water Saving[J]. China Pulp & Paper, 2003, 22(5): 70.

孫壽紅. 紙機(jī)真空系統(tǒng)的節(jié)水[J]. 中國造紙, 2003, 22(5): 70.

[4] ZHANG Hui. Structure Principle and Evaluation of Energy Saving and Water Saving of Pulping and Papermaking Equipment[J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(5): 52.

張 輝. 制漿造紙裝備節(jié)能節(jié)水結(jié)構(gòu)原理與評析[J]. 中國造紙, 2007, 26(5): 52.

[5] Xu Faijian, Lei Chundong, Liu Baoxin, et al. Study on energy efficiency evaluation method of water ring vacuum pump[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2011, 31(4): 449.

徐法儉, 雷春棟, 劉寶新, 等. 水環(huán)真空泵能效評價方法研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2011, 31(4): 449.

[6] Yu Jian. Mathematical model and operating characteristics of water ring vacuum pump[J]. Power Generation Equipment, 2009, 32(3): 82.

俞 健. 水環(huán)真空泵數(shù)學(xué)模型與運行特性[J].發(fā)電設(shè)備, 2009, 32(3): 82.

[7] Zhang Jianye. The principle and operation of the condenser water ring vacuum pump [J]. Zhejiang Electric Power, 2000, 19(3): 52.

張建葉. 凝汽器水環(huán)式真空泵的原理與運行[J]. 浙江電力, 2000, 19(3): 52.

[8] Cai Bingran, Huang Yanqi. Frequency energy saving control system of water ring vacuum pump[J]. Modern Plastics, 2013(8): 48.

蔡炳然, 黃彥淇. 水環(huán)真空泵變頻節(jié)能控制系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代塑料, 2013(8): 48.

[9] Meng Yanjing, Zhao Dan, Duan Mingliang,et al. A control device, water ring vacuum pump: CN, 204113706U[P]. 2015- 01-21.

孟彥京, 趙 丹, 段明亮, 等. 一種控制裝置、水環(huán)真空泵: 中國, 204113706U[P]. 2015- 01-21.

[10] Liu Bin. Application of Turbo-compressor in Modern Paper Machines[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(1): 52.

劉 斌. 透平式真空泵在現(xiàn)代紙機(jī)上的應(yīng)用[J]. 中國造紙, 2012, 31(1): 52.

[11] Zhou Zhenhua. Water ring vacuum pump in the pulp and paper vacuum system in the selection[J]. Mechanical and Electrical Engineering Technology, 2002, 31(7): 176.

周振華. 水環(huán)真空泵在制漿造紙真空系統(tǒng)中的選型[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2002, 31(7): 176.

[12] Yao Zhenqun, Yang Dongfang.PLC closed-loop control system in the realization of the PID controller[J]. Modern Machinery, 2005(4): 64.

(責(zé)任編輯：劉振華)

Study on the Energy Saving Control of Water Ring for Water Ring Vacuum Pump

MENG Yan-jing GENG Na-na*MA Hui-hai ZHAO Dan

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

The principle of operation control of water ring vacuum pump was analyzed. In order to realize the energy saving control of water ring for water ring vacuum pump, the plan of the energy saving control device based on PLC was designed, which included the hardware design and software design of the system, meanwhile adding the design of host computer control in order to control system implementation. According to the experimental data analysis, it was proved that the water ring vacuum pump worked in a certain liquid ring condition could achieve the maximum energy saving of electricity and water on the premise of keeping the vacuum degree steadily, and improve the efficiency of the water ring vacuum pump.

water ring vacuum pump； PLC； frequency converter； water ring; energy saving

孟彥京先生，博士，教授；主要研究方向：電力電子與電力傳動,工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)及其在電力傳動上的應(yīng)用。

2015-12-10(修改稿)

耿娜娜女士，E-mail:1506647833@qq.com。

TS736

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.010