控制网

王志伟（1972－）

    男，工程师，1996年毕业于昆明理工大学工业自动化仪表专业，从事水处理自动控制系统的工作。

1  引言

出厂水的恒压供水是自来水生产流程中的重要一环，送水压力的稳定及精度与否直接影响到千家万户的正常用水。在能源日益紧张的今天，变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果，以及在国民经济领域的广泛适用性，而且变频调速在改变水泵性能和自动控制方面优势明显。下面以揭阳市第二水厂的送水泵房恒压控制系统作分析。

2  系统分析

2.1  结构描述

为降低生产成本、改善工艺条件、提高生产效率及安全性、消除水锤效应的破坏性、平滑调节出厂水压力，揭阳市第二水厂送水系统采用由PLC、变频器（内藏PID）、变频泵、定速泵、自动化仪表及计算机等组成了串级全自动调节控制系统，如图1所示。

图1  串级全自动调节控制系统

泵房主要配备如下：1台Telemecanique公司的PLC TSX8740；2台施耐德公司的GD2377变频器；2台250kW的变频泵；3台250KW的定速泵，向城市管网供水。

中控室值班人员可将出厂水压力通过计算机人机界面输入到PLC中，PLC根据标准的出厂水压力值与实际出厂水压力值之差，经计算，改变变频器的输出频率，调节电机转速，达到调整出厂水压力的作用，进行闭环控制；并且安装了就手动与PLC自动控制两种运行模式，通过MCC柜及现场控制柜可以切换。

根据市区实际用水情况，安装了PC全自动调节程序，各用水时段压力调整如表1所示。

表1  各用水时段压力调整表

施耐德GD2377变频器具有如下特点：

(1)  降低电机启动电流和配电容量，避免增容投资。在电网上直接启动电动机，其容量不得大于电网容量的15～20%，选用GD2377变频器后，可把变压器的容量下降至传统驱动方式时的40～50%。

(2)  降低启动机械应用，减少直接起动带来的机械冲力和机械的磨损，延长电机及相关设备的寿命。

(3)  软起动、软停机，具有过流保护、直流侧欠压过压保护、模块过温保护、短路保护、环境温度检测等功能。

(4)  开放式操作显示键盘和屏幕，操作灵活，便于故障诊断。

(5)  微处理控制系统，PID控制功能，支持多种通讯接口，性能可靠。

(6)  具有自动复位、自动重新启动功能，可以在故障解除或系统恢复后重新启动系统。

2.2  分析

PLC和内藏PID功能的变频器组成的变频恒压供水控制系统，由于采用串级控制系统，可以具备以下功能：

(1)  由于副环具有快速作用，它能够有效地克服二次扰动的影响，扰动只要影响到副被控制量，调节过程立即开始，使主被控量变量的动态偏差大为降低。

(2)  由于副环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。

(3)  由于副环的存在，使系统有一定的自适应能力。

为了保持串级控制系统的控制性质，还应避免闭合副环进入高增益区，主回路周期T1为（1~3）T2的区域，即T1＞3T2，以免产生共振现象。

?  自动调节关系描述：

(1)  从计算机输入压力设定值（Pset）,启动变频泵，PID调节器（PLC）将根据用水量Q的变化调节变频器的输出频率f，使出厂水管网压力等于设定压力（Pout = Pset）。

(2)  当变频器频率调至最大值（fmax）,而送水压力仍小于设定值Pset时，则变频器频率调至最小值（fmin）,同时启动一台定速泵。

即f = fmax时，Pout＜Pset，则f = fmin，启动一台定速泵。

(3)  当变频器频率调至最小值（fmin）,而送水压力（Pout）仍大于设定值（Pset）时，则停止一台定速泵运行，同时将变频器频率上调。

由GD2377的设备技术资料，最大、最小转速的确定如下：

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为送水泵的净扬程；PT10为送水泵的出水压力；LIT10为清水池的水位。

经计算，变频器的最大频率为50Hz，最小频率为40Hz，即为最大转速的80～100%。

?  全电压起动与变频起动的效果对比：

在全拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩TJ：TJ = Tm －TL

根据异步电动机和水泵的机械特性，可知水泵在直接起动过程中，拖动系统动态转矩TJ很大，所以加速过程很快。而采用变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长起动过程，使动态转矩大为减少。在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。

3  结语

在现代自动化水厂中，采用变频调速的恒压控制系统，可以降低电耗，安全、优质、高效、低耗供水。

参考文献

[1] 金以慧,方崇智. 过程控制[M]. 清华大学出版社出版,1993,10.

[2] 张燕宾. SPWM变频调速应用技术[M].机械工业出版社出版,2004.