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何  彥，王明成，王玉成

1  概述
隨著現(xiàn)代電力控制技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速和智能繼電器為代表的應(yīng)用技術(shù)日趨成熟和普及。在現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)中，變頻調(diào)速供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水品質(zhì)高等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵、電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化(實際為供水管網(wǎng)上的壓力變化)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，當(dāng)用水量發(fā)生變化時仍保持水壓恒定以滿足用水要求，是目前先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)，是企業(yè)降低能耗、節(jié)約成本的有效途徑，也是連續(xù)性流程工藝生產(chǎn)的重要保證。
2  系統(tǒng)設(shè)計總體思想
某大型煉化企業(yè)由于工藝生產(chǎn)的連續(xù)性和復(fù)雜性，裝置生產(chǎn)用水要求硬度低，水壓穩(wěn)定且不間斷，但由于受到地理環(huán)境的制約，當(dāng)?shù)厮Y源匱乏，水質(zhì)硬度較高，不能滿足生產(chǎn)用水要求。因此，該廠設(shè)置軟化水裝置，對水質(zhì)進行軟化處理，并設(shè)計應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，由智能繼電器（PLC）、變頻調(diào)速器、多臺供水泵交替工頻/變頻自動切換運行，最終實現(xiàn)了恒壓供水、生產(chǎn)順暢、降低能耗的目的。
3  系統(tǒng)的構(gòu)成與實現(xiàn)
3.1  系統(tǒng)設(shè)計方案
本系統(tǒng)設(shè)計采用1控3方式，即1臺變頻器控制3臺水泵。工作時，管道上的壓力由傳感器測量，并將壓力信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號，作為反饋信號輸入變頻器，經(jīng)過變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)處理后產(chǎn)生輸出頻率信號控制泵轉(zhuǎn)速，由PLC執(zhí)行邏輯控制，保證供水壓力恒定。根據(jù)需要將該系統(tǒng)設(shè)計成三種運行狀態(tài)：手動開停工頻運行、變頻自動恒壓閉環(huán)運行、手動變頻運行。
3.2  系統(tǒng)的實現(xiàn)
3.2.1  硬件組成
該系統(tǒng)主要采用西門子智能繼電器LOGO！230RL和矢量控制型變頻器Simovert MasterDriver VC。
(1)  LOGO！230RL為西門子通用邏輯控制模塊。它具有體積小、編程簡單、功能強大的特點。它可230RL提供12點開關(guān)量輸入，8點繼電器輸出的端子接口。每個繼電器輸出端口的最大電流可達(dá)8A。LOGO！230RL模塊具有很強的邏輯控制和運算功能，這些功能以功能塊的方式應(yīng)用?；竟δ軌K有與門、或門、非門、與非、或非及異或門。同時還提供特殊功能塊，如接通延時、斷開延時、脈沖繼電器、時鐘脈沖發(fā)生器、加減計數(shù)器等。因此，它既可以作為PLC，又可以作為智能繼電器以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯繼電控制。
(2)  Simovert MasterDriver VC 變頻器是西門子新一代矢量控制變頻器，采用全數(shù)字技術(shù)控制，交流傳動采用IGBT電壓源變頻裝置，具有很高的變頻范圍。Simovert MasterDriver VC提供標(biāo)準(zhǔn)功能，如手動/自動設(shè)定，輸入給定值的通用性，自動重起動功能等，還有眾多的功能用于算術(shù)運算、PID閉環(huán)控制、邏輯運算。通過操作面板對系統(tǒng)不同級別的參數(shù)進行設(shè)置實現(xiàn)豐富的功能?？梢苑奖愕亻]環(huán)控制設(shè)定參數(shù)，查看現(xiàn)場傳感器反饋值等。變頻器面板還有手動電位器旋鈕，直接控制變頻器的輸出。該變頻器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場自動控制，使傳動系統(tǒng)的工作效率和可靠性得以提高。
3.2.2  控制原理和工作過程
(1)  控制原理

圖1  系統(tǒng)主程序框圖

一般情況下水泵轉(zhuǎn)速按工頻運行時速設(shè)計，運行時供水量基本固定不變。根據(jù)水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式N=Kn3（其中N為水泵消耗功率，n為水泵運行時的轉(zhuǎn)速，K為比例系數(shù)），采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，連續(xù)改變電機的驅(qū)動電流頻率，可以平滑改變其轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變水泵消耗功率的目的。實際生產(chǎn)中軟化水需求量隨裝置生產(chǎn)變化時，其管道上的水壓也隨之改變，可通過壓力傳感器測出實時變化量送入變頻器作為壓力反饋信號，與工藝設(shè)定壓力信號進行比較后，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID計算調(diào)節(jié)變頻器輸出控制水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)控制管網(wǎng)壓力恒定。系統(tǒng)的主程序框圖如圖1所示。
(2)  工作過程
正常情況下，系統(tǒng)為主泵變頻閉環(huán)工作。當(dāng)供水壓力低于工藝設(shè)定值，且達(dá)到單臺機泵變頻供水極限時，由PLC自動起動輔助泵工頻運行，主泵仍變頻運行；若供水壓力高于工藝設(shè)定值，輔助泵變頻工作，主泵停止運行，以此達(dá)到閉環(huán)恒壓供水控制。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以自動停止運行該系統(tǒng)，同時投用備用工頻泵。其控制電路如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)控制電路圖

L為交流電抗器 TH1~TH3為熱繼電器  KA為中間繼電器  KM1~KM5為交流接觸器
系統(tǒng)運行方式包括工頻手動運行和變頻運行兩種，其中工頻手動運行適用于變頻器檢修期，而變頻運行適用于正常工作狀態(tài)，兩種運行方式由切換開關(guān)SA1及LOGO！控制。下面著重介紹變頻運行方式的兩種工作狀態(tài)。
A  變頻自動恒壓閉環(huán)控制
將切換開關(guān)SA2置于“閉環(huán)”位置，系統(tǒng)控制變頻器循環(huán)啟停M2泵、M3泵，壓力變送器P將管道壓力轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電信號送至隔離器，作為變頻器壓力反饋信號與變頻器內(nèi)部參數(shù)（P525）設(shè)定壓力信號進行比較后，經(jīng)變頻器內(nèi)置PID控制模塊運算輸出控制信號，控制水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以自動停止運行該系統(tǒng)，同時投用備用工頻泵M1。
當(dāng)SA1置于“自動”，SA2置于“閉環(huán)”側(cè)時，系統(tǒng)處于變頻自動恒壓閉環(huán)控制運行。LOGO！輸出端Q1輸出接通，中間繼電器KM4吸合，經(jīng)延時后LOGO！Q8輸出接通，變頻器投入運行。此時M2泵在變頻器控制下維持恒壓閉環(huán)控制。系統(tǒng)在設(shè)定壓力下工作。當(dāng)單泵供水壓力不能滿足壓力要求，即壓力反饋信號持續(xù)低于設(shè)定值一段時間，LOGO！自動將M3泵接通變頻器，此M3泵在變頻器控制下進行閉環(huán)控制。如果M2泵在工頻，M3泵變頻同時工作一段時間后，如實際壓力超出設(shè)定壓力，M3泵持續(xù)下調(diào)轉(zhuǎn)速至控制下限仍無法達(dá)到設(shè)定值。則LOGO！控制自動斷開M2泵工頻工作，由M3泵持續(xù)變頻工作。順次起停M2泵和M3泵在工頻和變頻運行狀態(tài)，從而閉環(huán)控制輸水壓力，保持供水恒壓。其恒壓供水框圖如圖3所示。
B  變頻手動運行
系統(tǒng)還可以手動調(diào)節(jié)變頻器輸出。將SA2開關(guān)置于“開環(huán)”側(cè)，變頻器只控制M２，轉(zhuǎn)速由人工調(diào)節(jié)電位器Rp進行調(diào)節(jié)，M3泵不投入運行。如變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，LOGO！自動投運備用泵M1。

圖3  恒壓供水框圖

4  結(jié)語
經(jīng)過一年多的運行，該系統(tǒng)安全可靠，高質(zhì)量地保障了軟化水的平穩(wěn)供給，同時大大減少了用電量，達(dá)到了預(yù)期的目的。正常時只需180kW和100kW的兩臺泵交替變頻運行，從而改變了以前90kW、180kW，100kW三臺供水泵同時運行的現(xiàn)象，顯而易見，直接的經(jīng)濟效益是可觀的。