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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)自動化儀表專業(yè)，從事水處理自動控制系統(tǒng)的工作。

1  引言

出廠水的恒壓供水是自來水生產(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，以及在國民經(jīng)濟領(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控制方面優(yōu)勢明顯。下面以揭陽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、自動化儀表及計算機等組成了串級全自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1  串級全自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

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(wǎng)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(jù)標準的出廠水壓力值與實際出廠水壓力值之差，經(jīng)計算，改變變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)整出廠水壓力的作用，進行閉環(huán)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(xiàn)場控制柜可以切換。

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

表1  各用水時段壓力調(diào)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(wǎng)上直接啟動電動機，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)動方式時的40～50%。

(2)  降低啟動機械應(yīng)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(guān)設(shè)備的壽命。

(3)  軟起動、軟停機，具有過流保護、直流側(cè)欠壓過壓保護、模塊過溫保護、短路保護、環(huán)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(tǒng)，PID控制功能，支持多種通訊接口，性能可靠。

(6)  具有自動復(fù)位、自動重新啟動功能，可以在故障解除或系統(tǒng)恢復(fù)后重新啟動系統(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的影響，擾動只要影響到副被控制量，調(diào)節(jié)過程立即開始，使主被控量變量的動態(tài)偏差大為降低。

(2)  由于副環(huán)起了改善對象動態(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。

為了保持串級控制系統(tǒng)的控制性質(zhì)，還應(yīng)避免閉合副環(huán)進入高增益區(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。

?  自動調(diào)節(jié)關(guān)系描述：

(1)  從計算機輸入壓力設(shè)定值（Pset）,啟動變頻泵，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，則變頻器頻率調(diào)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(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，則停止一臺定速泵運行，同時將變頻器頻率上調(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為送水泵的凈揚程；PT10為送水泵的出水壓力；LIT10為清水池的水位。

經(jīng)計算，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%。

?  全電壓起動與變頻起動的效果對比：

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

根據(jù)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(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ很大，所以加速過程很快。而采用變頻調(diào)速后，可以通過對升速時間的預(yù)置來延長起動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減少。在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預(yù)置來延長停機過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。

3  結(jié)語

在現(xiàn)代自動化水廠中，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

[1] 金以慧,方崇智. 過程控制[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].機械工業(yè)出版社出版,2004.