水环真空泵的水环节能控制与研究

孟彦京 耿娜娜 马汇海 赵丹

 (陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安，710021）

摘要:分析了水环真空泵运行控制的原理。为了实现水环真空泵的水环节能控制，设计了基于PLC的节能控制装置方案，该方案包括系统的整体硬件设计和整体软件设计，同时增加了上位机控制设计，便于控制系统的实现。根据实验实测的数据以及数据分析，证明水环真空泵在一定的水环下工作，可以实现在保证真空度稳定的前提下节约电能和水能，同时提高水环真空泵的工作效率。

关键词: 水环真空泵:PLC;变频器:水环:节能

水环真空泵是纸机网部耗能较大的设备，在实际生产中，水环真空泵通常采用一个固定阀门直接供水，往往忽视了对其节能、节水的考虑回。能耗成本是造纸工业主要的成本支出。因此，为避免能源浪费，研究新型水环真空泵的水环节能控制系统十分重要。笔者根据自身相关经验并结合水环真空泵的工作原理，从硬件设计和软件设计两个方面对水环真空泵的水环节能控制系统进行阐述，并对实验的实测数据进行了分析。

1 工作原理

水环真空泵由叶轮、泵体、吸排气盘、水在泵体内壁形成的水环、吸气口、排气口等组成。

水环真空泵结构示意图如图1所示，叶轮与泵体呈偏心配置，当叶轮顺时针旋转时，在泵体中形成密闭水环，水环与叶轮构成月牙形空间。右边半个月牙图1水环真空泵结构示意图形的容积由小变大而形成吸气孔，左边半个月牙形的容积由大变小而成压缩过程(相当于排气孔)。被抽气体由进气口进入吸气孔，转子进一步转动，使气体受压缩，经排气口排出。排出的气体和水滴由排气管道进入水箱，此时气体从水中分离出来，经管道排到大气中，水由水箱进入泵中，或经过管道排到排水设备中。在水环真空泵的连续运转过程中，不断地进行吸气、压缩、排气3个过程，从而达到连续抽气的目的。

2 节能原理

2. 1 水环真空泵的节能原理

由真空泵抽率公式S=Q/P1,可以看出，当真空系统漏气率Q恒定时，机械泵有效抽速S与需要达到的预真空度P1呈反比例关系。P1越小，需要机械泵的有效抽率越大;如P1的值大于实际需要的值，就存在过剩真空而造成机械泵有效抽率的 浪费。

由S=Q/P1，可以得出P1=Q/S，从该式可以看出，生产需要的真空度P1可以作为调节量，以此按照生产工况来设定一个P0值，通过PID控制调节变频器的频率大小，从而调节机械泵的有效抽率达到节能降耗的目的。

2. 2 改变水环的节能原理

在工业现场使用过程中，水环真空泵通常采用一个固定阀门控制供水量的直接供水方式。当电机转速一定且水位在一定范围内时，水位高所形成的水环大，水位低所形成的水环小，即当水环偏大时，会使功耗增加，故水环真空泵效率下降，电能损耗加大;同时，又由于供水管道供水量随工作状态的变化而变化，这就使得水环真空泵的真空度受到一定的影响，又增加了能源损耗。本研究使水环真空泵电机转速维持在正常真空度状态下的转速，人为控制使得水流以最佳的流速注入水环真空泵中，使其一直在最高效状态下工作，克服上述现有技术的不足。

3 控制系统设计

水环真空泵的水环节能控制装置的硬件系统平台主要包括通用上位机、PLC、水泵变频器、真空泵变频器、水泵电机、真空泵电机、水泵、水环真空泵、真空箱、真空度传感器和真空压力表。

控制系统结构示意图如图2所示。由图2可知，真空度传感器将采集到的真空箱内实际的真空度数据传输到PLC中，与预设的真空度标准值进行PID调节，形成闭环控制系统，确定是否控制真空泵变频器，进而控制真空泵电机的转速，用水环真空泵来调节真空箱内的真空度，同时真空泵变频器将功率值反馈回PLC中。水流量大小的控制通过上位机设定不同给定值，使PLC输出信号控制水泵变频器，进而控制水泵电机的转速，来改变水环真空泵内的给水量。真空压力表用来显示当前真空箱内的真空度。

3. 1 硬件设计

本研究采用“三级传动”的控制模式，即将PLC与上位机相结合。其中上位机提供了实验软件系统的开发平台，主要根据实验要求，通过编程和组态来控制PLC。PLC作为水环真空泵节能控制装置的核心控制器，实现程序中各种量的计算与控制。
    硬件系统接线图如图3所示，PLC采用西门子公司的CPU226-S7200型，通过PLC的2个数字量输出端口来控制继电器的得电与失电，从而实现对电机启停的控制;同时通过PLC的2个数字量输入端口来反馈变频器运行状态。I/0控制模块采用SM231和SM232型，通过2个模拟量输入和2个模拟量输出，实现对水环真空泵变频器功率和实际真空度的采集，对水泵变频器和真空泵变频器的频率控制。连接模拟量的线采用带有屏蔽层的电缆，以免造成信号的干扰，影响测量精度。水泵变频器和真空泵变频器均采用ABB公司生产的ACS800型，二者通过输入端子实现变频器速度给定，三相输出端子实现对电机的控制，同时启动联锁，其中真空泵变频器通过输出端子实现功率反馈。

3. 2 软件设计

软件系统模块主要包括:人机界面模块、数据采集计算、模拟量采集、真空度PID计算和电机启停。
    人机界面模块是水环节能控制系统的人机交换平台，用于人机系统的任务数据给定、显示系统的状态以及系统状态的调节。数据采集模块可以实现节能系统的手动编辑与修改，从外部导入数控程序，检验数控程序的语法错误，对节能控制程序进行处理，包括给水量指令和给定功率等。PID模块用来调整系统的稳定程度，在闭环控制系统中，真空度通过反馈传递到输入端，反馈和输入共同调节系统使真空度达到最终的稳定。电机启停模块用来控制给水电机以及真空泵电机的启停，在启动水环真空泵前，先通过电机启停模块启动水泵给水电机，当水环真空泵中的水达到一定程度再启动水环真空泵。同理，要停止设备时， 先通过电机启停模块停止水环真空泵，当水环真空泵完全停止之后再停止给水电机。

3. 2. 1  PLC 控制程序设计
    采用由西门子公司提供的STEP7-Micor/WIN32   V3. 1编程软件来完成PLC控制程序的编译，能够在主程序中分别调用所需的数据采集计算、模拟量采集、真空度PID计算、电机启停等子程序。因此本研究的主程序流程图如图4所示。

3. 2. 2  WinCC组态设计

采用由Win CC编译的上位机系统来形成人机界面，能够通过计算机直接控制整个系统的运行、了解系统的工作状态以及稳定程度，还可以通过改变参数的给定来改变系统的工作状态。具体编辑的画面如图5所示。

4 实验结果

本次实验采取控制变量法，首先设定一个真空度值，让水环真空泵的进水流量达到该型号的最大进水量，且真空泵变频器在一定频率下运行，通过PID调节使实际真空度达到设定值。其次逐步减小水环真空泵的进水量，每减小一个量值，测定并记录真空泵变 频器的功率反馈平均值和真空泵进水量值。最后在不同的真空度下，重复以上步骤并记录。设置的3个真空度分别为30% , 40% , 50%，在每个真空度下设定的给水量分别为1700, 1600, 1500, 1400, 1300,1200, 1100, 1000, 900, 800, 700 mL/min。在不同的真空度下变频器功率反馈曲线如图6一图8所示。

如图6所示，当设定真空度为30%时，随着给水量的减小，真空泵反馈功率平均值曲线呈现先减小后增大的变化趋势，并且根据图像可看出，当给水量为1400 mL/min时，真空泵反馈功率平均值最小。

如图7所示，当设定真空度为40%时，随着给水量的减小，真空泵反馈功率平均值曲线呈现先减小后增大的变化趋势，并且根据图像可看出，当给水量为1200 mL/min时，真空泵反馈功率平均值最小。

图8 真空度为50%时不同水流量下的功率曲线

如图8所示，当设定真空度为50%时，随着给水量的减小，真空泵反馈功率平均值曲线呈现先减小后增大的变化趋势，并且根据图像可看出，当给水量为1200 mL/min时，真空泵反馈功率平均值最小。

综上可知，当真空度不变时，真空泵反馈功率平均值的大小随着真空泵给水量的改变而变化;并且在一定范围内，随着真空泵给水量的减小真空泵反馈功率平均值呈现先减小后增大的趋势。

5 结论

水环真空泵进水流量的大小可以影响真空度，在实际的应用中，将水流量设定在一定的数值下，通过水环节能控制装置的自我PI调节，真空泵变频器在一个合适的频率下工作，使得水环真空泵运行所消耗的功率和水流量最小，实现节能控制。在降低能耗和生产成本的同时，还可提高纸机生产线的稳定性和产品质量，帮助企业产生巨大的经济效益。