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何  彥，王明成，王玉成

1  概述
隨著現代電力控制技術的發展，以變頻調速和智能繼電器為代表的應用技術日趨成熟和普及。在現代企業的生產中，變頻調速供水技術以其節能、安全、供水品質高等優點，得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水系統可以實現水泵、電動機無級調速，依據用水量的變化(實際為供水管網上的壓力變化)自動調節系統的運行參數，當用水量發生變化時仍保持水壓恒定以滿足用水要求，是目前先進、合理的節能型供水系統，是企業降低能耗、節約成本的有效途徑，也是連續性流程工藝生產的重要保證。
2  系統設計總體思想
某大型煉化企業由于工藝生產的連續性和復雜性，裝置生產用水要求硬度低，水壓穩定且不間斷，但由于受到地理環境的制約，當地水資源匱乏，水質硬度較高，不能滿足生產用水要求。因此，該廠設置軟化水裝置，對水質進行軟化處理，并設計應用變頻調速技術，由智能繼電器（PLC）、變頻調速器、多臺供水泵交替工頻/變頻自動切換運行，最終實現了恒壓供水、生產順暢、降低能耗的目的。
3  系統的構成與實現
3.1  系統設計方案
本系統設計采用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，并將壓力信號轉換成標準電流信號，作為反饋信號輸入變頻器，經過變頻器內部PID調節處理后產生輸出頻率信號控制泵轉速，由PLC執行邏輯控制，保證供水壓力恒定。根據需要將該系統設計成三種運行狀態：手動開停工頻運行、變頻自動恒壓閉環運行、手動變頻運行。
3.2  系統的實現
3.2.1  硬件組成
該系統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用。基本功能塊有與門、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、時鐘脈沖發生器、加減計數器等。因此，它既可以作為PLC，又可以作為智能繼電器以實現復雜的邏輯繼電控制。
(2)  Simovert MasterDriver VC 變頻器是西門子新一代矢量控制變頻器，采用全數字技術控制，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提供標準功能，如手動/自動設定，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運算、PID閉環控制、邏輯運算。通過操作面板對系統不同級別的參數進行設置實現豐富的功能。可以方便地閉環控制設定參數，查看現場傳感器反饋值等。變頻器面板還有手動電位器旋鈕，直接控制變頻器的輸出。該變頻器被廣泛應用于現場自動控制，使傳動系統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  系統主程序框圖

一般情況下水泵轉速按工頻運行時速設計，運行時供水量基本固定不變。根據水泵消耗功率與轉速的關系式N=Kn3（其中N為水泵消耗功率，n為水泵運行時的轉速，K為比例系數），采用恒轉矩調速方式，連續改變電機的驅動電流頻率，可以平滑改變其轉速，從而達到改變水泵消耗功率的目的。實際生產中軟化水需求量隨裝置生產變化時，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，與工藝設定壓力信號進行比較后，經變頻器內部PID計算調節變頻器輸出控制水泵轉速，實現閉環控制管網壓力恒定。系統的主程序框圖如圖1所示。
(2)  工作過程
正常情況下，系統為主泵變頻閉環工作。當供水壓力低于工藝設定值，且達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定值，輔助泵變頻工作，主泵停止運行，以此達到閉環恒壓供水控制。當變頻系統出現故障時，可以自動停止運行該系統，同時投用備用工頻泵。其控制電路如圖2所示。

圖2  系統控制電路圖

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，兩種運行方式由切換開關SA1及LOGO！控制。下面著重介紹變頻運行方式的兩種工作狀態。
A  變頻自動恒壓閉環控制
將切換開關SA2置于“閉環”位置，系統控制變頻器循環啟停M2泵、M3泵，壓力變送器P將管道壓力轉化為標準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部參數（P525）設定壓力信號進行比較后，經變頻器內置PID控制模塊運算輸出控制信號，控制水泵轉速。當變頻系統出現故障時，可以自動停止運行該系統，同時投用備用工頻泵M1。
當SA1置于“自動”，SA2置于“閉環”側時，系統處于變頻自動恒壓閉環控制運行。LOGO！輸出端Q1輸出接通，中間繼電器KM4吸合，經延時后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控制。系統在設定壓力下工作。當單泵供水壓力不能滿足壓力要求，即壓力反饋信號持續低于設定值一段時間，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，如實際壓力超出設定壓力，M3泵持續下調轉速至控制下限仍無法達到設定值。則LOGO！控制自動斷開M2泵工頻工作，由M3泵持續變頻工作。順次起停M2泵和M3泵在工頻和變頻運行狀態，從而閉環控制輸水壓力，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
系統還可以手動調節變頻器輸出。將SA2開關置于“開環”側，變頻器只控制M２，轉速由人工調節電位器Rp進行調節，M3泵不投入運行。如變頻系統出現故障后，LOGO！自動投運備用泵M1。

圖3  恒壓供水框圖

4  結語
經過一年多的運行，該系統安全可靠，高質量地保障了軟化水的平穩供給，同時大大減少了用電量，達到了預期的目的。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象，顯而易見，直接的經濟效益是可觀的。