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王志偉（1972－）

    男，工程師，1996年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化儀表專(zhuān)業(yè)，從事水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作。

1  引言

出廠水的恒壓供水是自來(lái)水生產(chǎn)流程中的重要一環(huán)，送水壓力的穩(wěn)定及精度與否直接影響到千家萬(wàn)戶的正常用水。在能源日益緊張的今天，變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的廣泛適用性，而且變頻調(diào)速在改變水泵性能和自動(dòng)控制方面優(yōu)勢(shì)明顯。下面以揭陽(yáng)市第二水廠的送水泵房恒壓控制系統(tǒng)作分析。

2  系統(tǒng)分析

2.1  結(jié)構(gòu)描述

為降低生產(chǎn)成本、改善工藝條件、提高生產(chǎn)效率及安全性、消除水錘效應(yīng)的破壞性、平滑調(diào)節(jié)出廠水壓力，揭陽(yáng)市第二水廠送水系統(tǒng)采用由PLC、變頻器（內(nèi)藏PID）、變頻泵、定速泵、自動(dòng)化儀表及計(jì)算機(jī)等組成了串級(jí)全自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1  串級(jí)全自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

泵房主要配備如下：1臺(tái)Telemecanique公司的PLC TSX8740；2臺(tái)施耐德公司的GD2377變頻器；2臺(tái)250kW的變頻泵；3臺(tái)250KW的定速泵，向城市管網(wǎng)供水。

中控室值班人員可將出廠水壓力通過(guò)計(jì)算機(jī)人機(jī)界面輸入到PLC中，PLC根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的出廠水壓力值與實(shí)際出廠水壓力值之差，經(jīng)計(jì)算，改變變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整出廠水壓力的作用，進(jìn)行閉環(huán)控制；并且安裝了就手動(dòng)與PLC自動(dòng)控制兩種運(yùn)行模式，通過(guò)MCC柜及現(xiàn)場(chǎng)控制柜可以切換。

根據(jù)市區(qū)實(shí)際用水情況，安裝了PC全自動(dòng)調(diào)節(jié)程序，各用水時(shí)段壓力調(diào)整如表1所示。

表1  各用水時(shí)段壓力調(diào)整表

施耐德GD2377變頻器具有如下特點(diǎn)：

(1)  降低電機(jī)啟動(dòng)電流和配電容量，避免增容投資。在電網(wǎng)上直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其容量不得大于電網(wǎng)容量的15～20%，選用GD2377變頻器后，可把變壓器的容量下降至傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的40～50%。

(2)  降低啟動(dòng)機(jī)械應(yīng)用，減少直接起動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械沖力和機(jī)械的磨損，延長(zhǎng)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的壽命。

(3)  軟起動(dòng)、軟停機(jī)，具有過(guò)流保護(hù)、直流側(cè)欠壓過(guò)壓保護(hù)、模塊過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)、環(huán)境溫度檢測(cè)等功能。

(4)  開(kāi)放式操作顯示鍵盤(pán)和屏幕，操作靈活，便于故障診斷。

(5)  微處理控制系統(tǒng)，PID控制功能，支持多種通訊接口，性能可靠。

(6)  具有自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)重新啟動(dòng)功能，可以在故障解除或系統(tǒng)恢復(fù)后重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

2.2  分析

PLC和內(nèi)藏PID功能的變頻器組成的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，由于采用串級(jí)控制系統(tǒng)，可以具備以下功能：

(1)  由于副環(huán)具有快速作用，它能夠有效地克服二次擾動(dòng)的影響，擾動(dòng)只要影響到副被控制量，調(diào)節(jié)過(guò)程立即開(kāi)始，使主被控量變量的動(dòng)態(tài)偏差大為降低。

(2)  由于副環(huán)起了改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用，因此可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。

(3)  由于副環(huán)的存在，使系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。

為了保持串級(jí)控制系統(tǒng)的控制性質(zhì)，還應(yīng)避免閉合副環(huán)進(jìn)入高增益區(qū)，主回路周期T1為（1~3）T2的區(qū)域，即T1＞3T2，以免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

?  自動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)系描述：

(1)  從計(jì)算機(jī)輸入壓力設(shè)定值（Pset）,啟動(dòng)變頻泵，PID調(diào)節(jié)器（PLC）將根據(jù)用水量Q的變化調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率f，使出廠水管網(wǎng)壓力等于設(shè)定壓力（Pout = Pset）。

(2)  當(dāng)變頻器頻率調(diào)至最大值（fmax）,而送水壓力仍小于設(shè)定值Pset時(shí)，則變頻器頻率調(diào)至最小值（fmin）,同時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)定速泵。

即f = fmax時(shí)，Pout＜Pset，則f = fmin，啟動(dòng)一臺(tái)定速泵。

(3)  當(dāng)變頻器頻率調(diào)至最小值（fmin）,而送水壓力（Pout）仍大于設(shè)定值（Pset）時(shí)，則停止一臺(tái)定速泵運(yùn)行，同時(shí)將變頻器頻率上調(diào)。

由GD2377的設(shè)備技術(shù)資料，最大、最小轉(zhuǎn)速的確定如下：

TMH[meter] = PT10[bar]×10.2 + 5 － LIT10[meter]

Speedmax[Hz] = TMH×0.714 + 23.57

Speedmin[Hz] = TMH×0.442 + 22.74

上式中，TMH為送水泵的凈揚(yáng)程；PT10為送水泵的出水壓力；LIT10為清水池的水位。

經(jīng)計(jì)算，變頻器的最大頻率為50Hz，最小頻率為40Hz，即為最大轉(zhuǎn)速的80～100%。

?  全電壓起動(dòng)與變頻起動(dòng)的效果對(duì)比：

在全拖動(dòng)系統(tǒng)中，決定加速過(guò)程的是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ：TJ = Tm －TL

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)和水泵的機(jī)械特性，可知水泵在直接起動(dòng)過(guò)程中，拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ很大，所以加速過(guò)程很快。而采用變頻調(diào)速后，可以通過(guò)對(duì)升速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)起動(dòng)過(guò)程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減少。在停機(jī)過(guò)程中，同樣可以通過(guò)對(duì)降速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)停機(jī)過(guò)程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。

3  結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代自動(dòng)化水廠中，采用變頻調(diào)速的恒壓控制系統(tǒng)，可以降低電耗，安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗供水。

參考文獻(xiàn)

[1] 金以慧,方崇智. 過(guò)程控制[M]. 清華大學(xué)出版社出版,1993,10.

[2] 張燕賓. SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社出版,2004.