【摘要】针对常规继电器控制供风系统中存在的能源浪费严重、调节响应性能较差等问题，设计出一种基于PLC与变频器的变频调速节能调控的供风系统。应用实例表明，变频调速供风系统可以十分方便地实现风量的连续调节，确保供风系统输入与输出间的动态平衡，大大地提高了风机的工作效率和运行安全可靠性，节能效果较为明显。
【关键词】PLC；变频器；供风系统；节能
随着电力电子技术、变频调速节能技术、智能控制技术等先进技术发展的进一步完善，将PLC和变频器引入到供风系统中，根据用风负荷需求，实时调节风机转速，充分运用了供风系统中风机转速与系统风量、压力、功率间的特性关系，改善风机的运行工况性能，达到风量的动态调控，提高供风系统运行的安全可靠性和节能经济性，就显得非常有工程实践应用研究意义。
1、变频调速供风系统节能调控原理
在常规继电器风机控制系统中，风量调控阀门始终保持一定开度角运行，很多运行工况与实际负荷需求存在不匹配问题，造成大量的风能、电能浪费和机械损伤。基于PLC与变频器结合的变频供风系统，其利用供风系统的实际风压信号与系统中预设的风压系统进行动态比较，运算获得对应的压力差值，并经变频器内部运算分析获得对应的频率系统，作用在风机输入电源频率上，通过调节风机转速以实现风量的动态调控。也即，在变频调速供风系统中，根据终端用气负荷的实时需风量的压力变化而不断调整风机的输入电源频率，完成风机输入电源频率→风机运行转速→输出风量→电源频率的动态调节，确保风机始终运行在输入与输出间动态匹配的节能工况。变频调速供风系统其节能调节原理如图1所示：从图1可知，在风机变频转速控制工况下，供风系统中的管阻特性始终保持不变，转速变化引起风机扬程特性发生变化，进而实现供风系统中风量的动态调节。图1中，从N工况平衡调控到C工况，在常规阀门调节模式下，其能源消耗理论估算为SODEJ，而变频转速调节模式下，其能源消耗理论估算为SODCK，即变频转速调节，供风系统理论可以节省能量为SKCEJ。供风系统中采用调节阀门进行静态调控时，有大量的电能和风能资源被供风系统中的管阻特性所浪费掉，且随着阀门开度角的不断关小，其功率损耗也会随之大大增加。而在通过改变风机输入电源频率而改变风机转速实现风量的动态调节控制模式中，供风系统中的管阻特性始终保持不变，而调控系统根据实际运行工况间的输入与输出间的动态差值，不断改变风机电机的输入电源频率来调节风量，实现风量的动态调节，达到节能降耗的目的。从大量文献资料和实践应用经验可知，在变频调速控制系统中，风机电机转速处于80%额定转速时，其节电率大约可以达到49%；在转速处于50%额定转速时，其节电率甚至可以达到85%，节能效果非常明显。因此，在新建或改造的供风系统中采用基于PLC与变频器的恒压供风系统，已得到工程实践应用的大量推广，且应用节电、节能、安全可靠效果非常良好。
2、基于PLC与变频器的供风系统节能改造研究
基于PLC和变频器的供风系统节能改造方案，主要由PLC可编程控制器、内置PID调节单元的变频器、风机（空压机）机组、远程气压信号器、DSP数据处理单元、供电电源系统等功能单元共同组成，其中PLC与变频器是整个供风系统起、停控制和节能调速运算分析的核心。系统在运行过程中，主要利用安装于通风管道中的远程气压信号器（传感器）实时采集通风管网系统中的气压的实际波动值，并经信号电缆将传输到PID调节单元和PLC控制器，当发现气压属于正常波动范围时，由PID调节单元形成对应的电源频率，作用在风机输入电源的频率上，实时风机转速的动态调控，达到节能降耗动态调控目的；一旦发现气压超过气压设定范围时，PLC就会通过I/0输入/输出端子发出电机停信号，及时断电避免事故的进一步扩大。变频器中的内置PID调节单元和DSP数据处理单元是通风系统中气压实时信号数据处理和气压波动压差比例-微分-积分（PID）动态调节运算分析的核心调控单元，通过比例-微分-积分对气压信号进行处理，实现通风系统的动态调控，保证输入与输出间的动态平衡，达到节能降耗的目的。基于PLC与变频器的变频调速供风系统节能改造方案，其连接电路如图2所示：
3、基于PLC与变频器的风机变频调速节能改造效益评估
某工业厂房中装有两台功率为210kW的风机，为了确保供风系统运行具有较高安全可靠性，两台风机采用明备用（即一用一备）的运行模式。从大量监测数据表明，通风系统的风机在选择过程中按照最大供风量进行风机容量选择，而实际运行过程中，通风系统大多处于75%运行工况，实际供风风量大大超过了供风系统的额定配风量，从而造成了大量的电能资源浪费。另外，风机控制系统中输入与输出间长期存在不平衡问题，使得风机长期运行在低效工况下，管阻损耗较大，发热量增加缩短风机电机的综合使用寿命。
经理论计算，供风系统的平均理想转速为540r/min，功率在110kw。若按照供风系统年平均运行天数为270天，设备日平均工作10小时计算，则对该工业厂房的210kw风机电机采取PLC与变频器相结合的变频调速节能改造后，其理论节电率可以达到：
（210 kW-110kW） / 210 kW ×100 % = 47.6%
如果按工业平均用电费率为0.8元/度进行估算，则采用PLC与变频器进行节能改造后，其可以获得的理论节电效益为：
M=（210 kW-110kW） ×270×10×0.8=21.6（万元）
也就是说通过PLC与变频器的变频调速节能改造后，通风系统每年可以节省的理论经济费用大约为21.6万元，大大降低了工业产品的生产制造成本。且采用变频调速节能改造后，风机电机在启动过程中，所受的冲击电流大大减小，在很大程度上提高了风机系统的综合使用寿命，确保供风系统安全可靠、节能经济的高效稳定运行。
4、结束语
供风系统在日常生产、生活等环节中尤为重要，基于PLC和变频器的变频节能调速控制方案在供风系统中的合理改造应用，可以确保风机电机长期运行在最优运行工况，实现恒压变频调速控制，达到节能降耗的目的。同时，利用PLC和变频器的自检、自动诊断、实时响应等特性，可以大大提高供风系统的综合自动化水平，实现智能自动化调节控制，降低了常规继电器控制模式中的人工劳动工作量，节能节电效果非常明显，安全可靠性较高，是新建或改造通风工程中普遍采用的节能方案。
参考文献
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[2]杨茹.变频器在空压机自动恒压供气节能改造中的应用[J].电气应用，2008，27（24）：30-33.
[3]南丁，王立亚.基于变频技术的矿用空气压缩机节能改造[J].煤矿机电，2010，（03）：94-96.
作者简介
宋世静（1976-），男，籍贯：广西南宁人，职称：工程师，学历：本科，主要研究方向：电气自动化。