控制网

何  彦，王明成，王玉成

1  概述
随着现代电力控制技术的发展，以变频调速和智能继电器为代表的应用技术日趋成熟和普及。在现代企业的生产中，变频调速供水技术以其节能、安全、供水品质高等优点，得到了广泛的应用。变频调速恒压供水系统可以实现水泵、电动机无级调速，依据用水量的变化(实际为供水管网上的压力变化)自动调节系统的运行参数，当用水量发生变化时仍保持水压恒定以满足用水要求，是目前先进、合理的节能型供水系统，是企业降低能耗、节约成本的有效途径，也是连续性流程工艺生产的重要保证。
2  系统设计总体思想
某大型炼化企业由于工艺生产的连续性和复杂性，装置生产用水要求硬度低，水压稳定且不间断，但由于受到地理环境的制约，当地水资源匮乏，水质硬度较高，不能满足生产用水要求。因此，该厂设置软化水装置，对水质进行软化处理，并设计应用变频调速技术，由智能继电器（PLC）、变频调速器、多台供水泵交替工频/变频自动切换运行，最终实现了恒压供水、生产顺畅、降低能耗的目的。
3  系统的构成与实现
3.1  系统设计方案
本系统设计采用1控3方式，即1台变频器控制3台水泵。工作时，管道上的压力由传感器测量，并将压力信号转换成标准电流信号，作为反馈信号输入变频器，经过变频器内部PID调节处理后产生输出频率信号控制泵转速，由PLC执行逻辑控制，保证供水压力恒定。根据需要将该系统设计成三种运行状态：手动开停工频运行、变频自动恒压闭环运行、手动变频运行。
3.2  系统的实现
3.2.1  硬件组成
该系统主要采用西门子智能继电器LOGO！230RL和矢量控制型变频器Simovert MasterDriver VC。
(1)  LOGO！230RL为西门子通用逻辑控制模块。它具有体积小、编程简单、功能强大的特点。它可230RL提供12点开关量输入，8点继电器输出的端子接口。每个继电器输出端口的最大电流可达8A。LOGO！230RL模块具有很强的逻辑控制和运算功能，这些功能以功能块的方式应用。基本功能块有与门、或门、非门、与非、或非及异或门。同时还提供特殊功能块，如接通延时、断开延时、脉冲继电器、时钟脉冲发生器、加减计数器等。因此，它既可以作为PLC，又可以作为智能继电器以实现复杂的逻辑继电控制。
(2)  Simovert MasterDriver VC 变频器是西门子新一代矢量控制变频器，采用全数字技术控制，交流传动采用IGBT电压源变频装置，具有很高的变频范围。Simovert MasterDriver VC提供标准功能，如手动/自动设定，输入给定值的通用性，自动重起动功能等，还有众多的功能用于算术运算、PID闭环控制、逻辑运算。通过操作面板对系统不同级别的参数进行设置实现丰富的功能。可以方便地闭环控制设定参数，查看现场传感器反馈值等。变频器面板还有手动电位器旋钮，直接控制变频器的输出。该变频器被广泛应用于现场自动控制，使传动系统的工作效率和可靠性得以提高。
3.2.2  控制原理和工作过程
(1)  控制原理

图1  系统主程序框图

一般情况下水泵转速按工频运行时速设计，运行时供水量基本固定不变。根据水泵消耗功率与转速的关系式N=Kn3（其中N为水泵消耗功率，n为水泵运行时的转速，K为比例系数），采用恒转矩调速方式，连续改变电机的驱动电流频率，可以平滑改变其转速，从而达到改变水泵消耗功率的目的。实际生产中软化水需求量随装置生产变化时，其管道上的水压也随之改变，可通过压力传感器测出实时变化量送入变频器作为压力反馈信号，与工艺设定压力信号进行比较后，经变频器内部PID计算调节变频器输出控制水泵转速，实现闭环控制管网压力恒定。系统的主程序框图如图1所示。
(2)  工作过程
正常情况下，系统为主泵变频闭环工作。当供水压力低于工艺设定值，且达到单台机泵变频供水极限时，由PLC自动起动辅助泵工频运行，主泵仍变频运行；若供水压力高于工艺设定值，辅助泵变频工作，主泵停止运行，以此达到闭环恒压供水控制。当变频系统出现故障时，可以自动停止运行该系统，同时投用备用工频泵。其控制电路如图2所示。

图2  系统控制电路图

L为交流电抗器 TH1~TH3为热继电器  KA为中间继电器  KM1~KM5为交流接触器
系统运行方式包括工频手动运行和变频运行两种，其中工频手动运行适用于变频器检修期，而变频运行适用于正常工作状态，两种运行方式由切换开关SA1及LOGO！控制。下面着重介绍变频运行方式的两种工作状态。
A  变频自动恒压闭环控制
将切换开关SA2置于“闭环”位置，系统控制变频器循环启停M2泵、M3泵，压力变送器P将管道压力转化为标准4～20mA电信号送至隔离器，作为变频器压力反馈信号与变频器内部参数（P525）设定压力信号进行比较后，经变频器内置PID控制模块运算输出控制信号，控制水泵转速。当变频系统出现故障时，可以自动停止运行该系统，同时投用备用工频泵M1。
当SA1置于“自动”，SA2置于“闭环”侧时，系统处于变频自动恒压闭环控制运行。LOGO！输出端Q1输出接通，中间继电器KM4吸合，经延时后LOGO！Q8输出接通，变频器投入运行。此时M2泵在变频器控制下维持恒压闭环控制。系统在设定压力下工作。当单泵供水压力不能满足压力要求，即压力反馈信号持续低于设定值一段时间，LOGO！自动将M3泵接通变频器，此M3泵在变频器控制下进行闭环控制。如果M2泵在工频，M3泵变频同时工作一段时间后，如实际压力超出设定压力，M3泵持续下调转速至控制下限仍无法达到设定值。则LOGO！控制自动断开M2泵工频工作，由M3泵持续变频工作。顺次起停M2泵和M3泵在工频和变频运行状态，从而闭环控制输水压力，保持供水恒压。其恒压供水框图如图3所示。
B  变频手动运行
系统还可以手动调节变频器输出。将SA2开关置于“开环”侧，变频器只控制M２，转速由人工调节电位器Rp进行调节，M3泵不投入运行。如变频系统出现故障后，LOGO！自动投运备用泵M1。

图3  恒压供水框图

4  结语
经过一年多的运行，该系统安全可靠，高质量地保障了软化水的平稳供给，同时大大减少了用电量，达到了预期的目的。正常时只需180kW和100kW的两台泵交替变频运行，从而改变了以前90kW、180kW，100kW三台供水泵同时运行的现象，显而易见，直接的经济效益是可观的。