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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(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵、電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化(實(shí)際為供水管網(wǎng)上的壓力變化)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)用水量發(fā)生變化時(shí)仍保持水壓恒定以滿足用水要求，是目前先進(jìn)、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(jì)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(duì)水質(zhì)進(jìn)行軟化處理，并設(shè)計(jì)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(tái)供水泵交替工頻/變頻自動(dòng)切換運(yùn)行，最終實(shí)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(shí)現(xiàn)
3.1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用1控3方式，即1臺(tái)變頻器控制3臺(tái)水泵。工作時(shí)，管道上的壓力由傳感器測(cè)量，并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，作為反饋信號(hào)輸入變頻器，經(jīng)過(guò)變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)處理后產(chǎn)生輸出頻率信號(hào)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(jì)成三種運(yùn)行狀態(tài)：手動(dòng)開(kāi)停工頻運(yùn)行、變頻自動(dòng)恒壓閉環(huán)運(yùn)行、手動(dòng)變頻運(yùn)行。
3.2  系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.2.1  硬件組成
該系統(tǒng)主要采用西門(mén)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(mén)子通用邏輯控制模塊。它具有體積小、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。它可230RL提供12點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，8點(diǎn)繼電器輸出的端子接口。每個(gè)繼電器輸出端口的最大電流可達(dá)8A。LOGO！230RL模塊具有很強(qiáng)的邏輯控制和運(yùn)算功能，這些功能以功能塊的方式應(yīng)用。基本功能塊有與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、與非、或非及異或門(mén)。同時(shí)還提供特殊功能塊，如接通延時(shí)、斷開(kāi)延時(shí)、脈沖繼電器、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、加減計(jì)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯繼電控制。
(2)  Simovert MasterDriver VC 變頻器是西門(mén)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(dòng)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(dòng)/自動(dòng)設(shè)定，輸入給定值的通用性，自動(dòng)重起動(dòng)功能等，還有眾多的功能用于算術(shù)運(yùn)算、PID閉環(huán)控制、邏輯運(yùn)算。通過(guò)操作面板對(duì)系統(tǒng)不同級(jí)別的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)豐富的功能。可以方便地閉環(huán)控制設(shè)定參數(shù)，查看現(xiàn)場(chǎng)傳感器反饋值等。變頻器面板還有手動(dòng)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(chǎng)自動(dòng)控制，使傳動(dòng)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(guò)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(yùn)行時(shí)速設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(jī)的驅(qū)動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中軟化水需求量隨裝置生產(chǎn)變化時(shí)，其管道上的水壓也隨之改變，可通過(guò)壓力傳感器測(cè)出實(shí)時(shí)變化量送入變頻器作為壓力反饋信號(hào)，與工藝設(shè)定壓力信號(hào)進(jìn)行比較后，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID計(jì)算調(diào)節(jié)變頻器輸出控制水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)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(guò)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(tái)機(jī)泵變頻供水極限時(shí)，由PLC自動(dòng)起動(dòng)輔助泵工頻運(yùn)行，主泵仍變頻運(yùn)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(yùn)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(shí)，可以自動(dòng)停止運(yùn)行該系統(tǒng)，同時(shí)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(yùn)行方式包括工頻手動(dòng)運(yùn)行和變頻運(yùn)行兩種，其中工頻手動(dòng)運(yùn)行適用于變頻器檢修期，而變頻運(yùn)行適用于正常工作狀態(tài)，兩種運(yùn)行方式由切換開(kāi)關(guān)SA1及LOGO！控制。下面著重介紹變頻運(yùn)行方式的兩種工作狀態(tài)。
A  變頻自動(dòng)恒壓閉環(huán)控制
將切換開(kāi)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(hào)送至隔離器，作為變頻器壓力反饋信號(hào)與變頻器內(nèi)部參數(shù)（P525）設(shè)定壓力信號(hào)進(jìn)行比較后，經(jīng)變頻器內(nèi)置PID控制模塊運(yùn)算輸出控制信號(hào)，控制水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)停止運(yùn)行該系統(tǒng)，同時(shí)投用備用工頻泵M1。
當(dāng)SA1置于“自動(dòng)”，SA2置于“閉環(huán)”側(cè)時(shí)，系統(tǒng)處于變頻自動(dòng)恒壓閉環(huán)控制運(yùn)行。LOGO！輸出端Q1輸出接通，中間繼電器KM4吸合，經(jīng)延時(shí)后LOGO！Q8輸出接通，變頻器投入運(yùn)行。此時(shí)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(hào)持續(xù)低于設(shè)定值一段時(shí)間，LOGO！自動(dòng)將M3泵接通變頻器，此M3泵在變頻器控制下進(jìn)行閉環(huán)控制。如果M2泵在工頻，M3泵變頻同時(shí)工作一段時(shí)間后，如實(shí)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(wú)法達(dá)到設(shè)定值。則LOGO！控制自動(dòng)斷開(kāi)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(yùn)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(dòng)運(yùn)行
系統(tǒng)還可以手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出。將SA2開(kāi)關(guān)置于“開(kāi)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(jìn)行調(diào)節(jié)，M3泵不投入運(yùn)行。如變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，LOGO！自動(dòng)投運(yùn)備用泵M1。

圖3  恒壓供水框圖

4  結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)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(shí)大大減少了用電量，達(dá)到了預(yù)期的目的。正常時(shí)只需180kW和100kW的兩臺(tái)泵交替變頻運(yùn)行，從而改變了以前90kW、180kW，100kW三臺(tái)供水泵同時(shí)運(yùn)行的現(xiàn)象，顯而易見(jiàn)，直接的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。