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王志偉（1972－）

    男，工程師，1996年畢業于昆明理工大學工業自動化儀表專業，從事水處理自動控制系統的工作。

1  引言

出廠水的恒壓供水是自來水生產流程中的重要一環，送水壓力的穩定及精度與否直接影響到千家萬戶的正常用水。在能源日益緊張的今天，變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果，以及在國民經濟領域的廣泛適用性，而且變頻調速在改變水泵性能和自動控制方面優勢明顯。下面以揭陽市第二水廠的送水泵房恒壓控制系統作分析。

2  系統分析

2.1  結構描述

為降低生產成本、改善工藝條件、提高生產效率及安全性、消除水錘效應的破壞性、平滑調節出廠水壓力，揭陽市第二水廠送水系統采用由PLC、變頻器（內藏PID）、變頻泵、定速泵、自動化儀表及計算機等組成了串級全自動調節控制系統，如圖1所示。

圖1  串級全自動調節控制系統

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

中控室值班人員可將出廠水壓力通過計算機人機界面輸入到PLC中，PLC根據標準的出廠水壓力值與實際出廠水壓力值之差，經計算，改變變頻器的輸出頻率，調節電機轉速，達到調整出廠水壓力的作用，進行閉環控制；并且安裝了就手動與PLC自動控制兩種運行模式，通過MCC柜及現場控制柜可以切換。

根據市區實際用水情況，安裝了PC全自動調節程序，各用水時段壓力調整如表1所示。

表1  各用水時段壓力調整表

施耐德GD2377變頻器具有如下特點：

(1)  降低電機啟動電流和配電容量，避免增容投資。在電網上直接啟動電動機，其容量不得大于電網容量的15～20%，選用GD2377變頻器后，可把變壓器的容量下降至傳統驅動方式時的40～50%。

(2)  降低啟動機械應用，減少直接起動帶來的機械沖力和機械的磨損，延長電機及相關設備的壽命。

(3)  軟起動、軟停機，具有過流保護、直流側欠壓過壓保護、模塊過溫保護、短路保護、環境溫度檢測等功能。

(4)  開放式操作顯示鍵盤和屏幕，操作靈活，便于故障診斷。

(5)  微處理控制系統，PID控制功能，支持多種通訊接口，性能可靠。

(6)  具有自動復位、自動重新啟動功能，可以在故障解除或系統恢復后重新啟動系統。

2.2  分析

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

(1)  由于副環具有快速作用，它能夠有效地克服二次擾動的影響，擾動只要影響到副被控制量，調節過程立即開始，使主被控量變量的動態偏差大為降低。

(2)  由于副環起了改善對象動態特性的作用，因此可以加大主調節器的增益，提高系統的工作頻率。

(3)  由于副環的存在，使系統有一定的自適應能力。

為了保持串級控制系統的控制性質，還應避免閉合副環進入高增益區，主回路周期T1為（1~3）T2的區域，即T1＞3T2，以免產生共振現象。

?  自動調節關系描述：

(1)  從計算機輸入壓力設定值（Pset）,啟動變頻泵，PID調節器（PLC）將根據用水量Q的變化調節變頻器的輸出頻率f，使出廠水管網壓力等于設定壓力（Pout = Pset）。

(2)  當變頻器頻率調至最大值（fmax）,而送水壓力仍小于設定值Pset時，則變頻器頻率調至最小值（fmin）,同時啟動一臺定速泵。

即f = fmax時，Pout＜Pset，則f = fmin，啟動一臺定速泵。

(3)  當變頻器頻率調至最小值（fmin）,而送水壓力（Pout）仍大于設定值（Pset）時，則停止一臺定速泵運行，同時將變頻器頻率上調。

由GD2377的設備技術資料，最大、最小轉速的確定如下：

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為送水泵的凈揚程；PT10為送水泵的出水壓力；LIT10為清水池的水位。

經計算，變頻器的最大頻率為50Hz，最小頻率為40Hz，即為最大轉速的80～100%。

?  全電壓起動與變頻起動的效果對比：

在全拖動系統中，決定加速過程的是動態轉矩TJ：TJ = Tm －TL

根據異步電動機和水泵的機械特性，可知水泵在直接起動過程中，拖動系統動態轉矩TJ很大，所以加速過程很快。而采用變頻調速后，可以通過對升速時間的預置來延長起動過程，使動態轉矩大為減少。在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預置來延長停機過程，使動態轉矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應。

3  結語

在現代自動化水廠中，采用變頻調速的恒壓控制系統，可以降低電耗，安全、優質、高效、低耗供水。

參考文獻

[1] 金以慧,方崇智. 過程控制[M]. 清華大學出版社出版,1993,10.

[2] 張燕賓. SPWM變頻調速應用技術[M].機械工業出版社出版,2004.