變頻器在自動(dòng)化水廠中的應(yīng)用
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的發(fā)電總量的70%左右消耗在電動(dòng)機(jī)上，風(fēng)機(jī)、水泵消耗我國(guó)發(fā)電總量的40%左右。用電機(jī)變頻調(diào)速來(lái)代替原有閥門調(diào)節(jié)流量，我國(guó)每年可節(jié)約用電300－400×10e8 KWh億千瓦小時(shí)。在自來(lái)水行業(yè)，變頻器主要應(yīng)用在取水泵房、送水泵房，除了可以節(jié)電，還可以平滑調(diào)節(jié)取水流量、送水壓力，滿足制水、供水工藝要求。
1、變頻器在自動(dòng)化水廠的軟、硬件設(shè)置 在大部分新建、改建的自動(dòng)化水廠的取水泵房及送水泵房，一般都配備了變頻器，用來(lái)降低電耗、改善工藝條件。變頻器的控制方式一般具備就地手動(dòng)與PLC自動(dòng)兩種運(yùn)行模式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱可以切換。下面以水廠為例說(shuō)明在自動(dòng)化水廠變頻器應(yīng)用中軟、硬件設(shè)置的一些方法。
現(xiàn)舉例某水廠引進(jìn)的變頻器為西門子公司生產(chǎn)的系列變頻器。供水泵房配備4臺(tái)變頻機(jī)組，向城市管網(wǎng)供水。每臺(tái)變頻機(jī)組配備一臺(tái)變頻變壓器，一次側(cè)電壓為6KV。二次側(cè)電壓為690V。變頻器自身?yè)p耗為額定功率的3%左右。
變頻器有6個(gè)數(shù)字量輸入，3個(gè)模擬量輸入，3個(gè)數(shù)字量輸出，2個(gè)模擬量輸出。通過(guò)變頻器軟件設(shè)置，數(shù)字量輸入口1作為就地手動(dòng)的“開/?！笨刂?，數(shù)字量輸入口2作為“就地手動(dòng)/PLC自動(dòng)”切換控制，數(shù)字量輸入口3作為就地手動(dòng)的“增速”控制，數(shù)字量輸入口4作為就地手動(dòng)的“減速”控制，數(shù)字量輸入口5作為“故障緊急停車”控制，數(shù)字量輸入口6作為PLC自動(dòng)的“開/?！笨刂?，模擬量輸入口2作為PLC自動(dòng)的“頻率”控制。數(shù)字量輸出口1為”準(zhǔn)備”信號(hào)，數(shù)字量輸出口2為變頻器“運(yùn)行”信號(hào)，數(shù)字量輸出口3為變頻器“故障”信號(hào)，模擬量輸出口1為變頻器“轉(zhuǎn)速”信號(hào)。這樣可以實(shí)現(xiàn)變頻器的手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行，并對(duì)變頻器的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這是一個(gè)泵站水戰(zhàn)機(jī)組監(jiān)控設(shè)置，由于現(xiàn)狀是千變?nèi)f化的，要因地制宜進(jìn)行設(shè)置。
西門子公司SINSMICSG150等系列變頻器軟件具備以下主要功能：過(guò)流保護(hù)、Vdemax控制器可自動(dòng)防止直流側(cè)過(guò)壓保護(hù)，直流側(cè)欠壓保護(hù)，電源模塊過(guò)溫保護(hù)，短路保護(hù)，輸入缺相保護(hù)，環(huán)境溫度檢測(cè)等。編程軟件具備以下主要功能：控制信號(hào)檢測(cè)、面板丟失處理-，電機(jī)熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、缺相保護(hù)、接地故障保護(hù)、電流和轉(zhuǎn)矩限制、臨界頻率鎖定等。自動(dòng)重新啟動(dòng)，可以再快速啟動(dòng)，可允許變頻器與旋轉(zhuǎn)的電機(jī)連接。特別要指出的是：用西門子公司G150等系列變頻器，可以很方便地在內(nèi)部和外部進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)PROFIBUS或PROFINET工業(yè)以態(tài)網(wǎng)的接口和客戶端子板的模擬量輸入進(jìn)行監(jiān)控，可在網(wǎng)上任何點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。
2、變頻器在自動(dòng)化水廠送水泵房的應(yīng)用變頻器在自動(dòng)化水廠送水泵房中，使用變頻器的只要目的是用來(lái)降低電耗、平滑調(diào)節(jié)出廠水壓力。通過(guò)自控系統(tǒng)的PLC或利用變頻器本身的PLD調(diào)節(jié)，可以讓變頻器自動(dòng)調(diào)速，恒壓供水，實(shí)現(xiàn)送水泵房的無(wú)人值守，提高生產(chǎn)效率及安全性。下面以某水廠為例說(shuō)明變頻器在送水泵房的一些應(yīng)用。
某水廠在送水泵房采用SINAMICS G150系列變頻器，PLC采用西門子公司的S7-200/300/400可編程控制器（根據(jù)監(jiān)內(nèi)容的多少來(lái)選擇）。出水總管上配備E+H公司的PMG133壓力傳感器，將實(shí)際出廠水壓力信號(hào)輸入PLC。中控室值班員根據(jù)公司中心調(diào)度室指令將標(biāo)準(zhǔn)出廠水壓力值通過(guò)計(jì)算機(jī)人機(jī)界面輸入PLC中。PLC可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)出廠水壓力值與實(shí)際出廠水壓力值之間的差值計(jì)算所需的頻率值，并將該值輸出到變頻器的模擬量輸入口，以變頻器改變頻率，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整出廠水壓力。進(jìn)行閉環(huán)控制之目的。
3、變頻器在自動(dòng)化水廠取水泵房的應(yīng)用在自動(dòng)化取水泵房中，使用變頻器的主要目的就是用來(lái)降低電耗，平滑調(diào)節(jié)取水流量。通過(guò)自控系統(tǒng)的PLC或利用變頻器本身的PLD調(diào)節(jié)，可以讓變頻器自動(dòng)調(diào)速，保持清水池水位穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)取水泵房的無(wú)人值守，高效、優(yōu)質(zhì)供水。
在自動(dòng)化水廠取水泵房變頻器的控制設(shè)計(jì)上，一般由清水池水位直接控制變頻器的頻率和送水泵房出廠水壓力控制送水泵房變頻器相比，改變送水泵房變頻器頻率可以立即影響出廠水壓力，而改變?nèi)∷梅孔冾l器頻率對(duì)清水池水位變化的時(shí)間滯后較大，同時(shí)絮疑池排泥、平流池排泥、濾池反沖洗、出廠水流量變化對(duì)清水池水位都有較大影響，因此用清水池水位直接控制取水泵房水泵機(jī)組調(diào)速節(jié)能的方法不盡人意。有的水廠在控制上采取了部分簡(jiǎn)化，將清水池水位分段控制變頻器頻率，但使用效果不理想。下面談?wù)勅∷梅孔冾l器控制的一些想法。
在取水泵房變頻器控制系統(tǒng)中，由技術(shù)人員通過(guò)計(jì)算機(jī)人機(jī)界面將清水池標(biāo)準(zhǔn)水位值輸入PLC，PLC自動(dòng)根據(jù)清水池標(biāo)準(zhǔn)水位值與實(shí)際水位值之間的差值通過(guò)PID運(yùn)算得出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)水流量。PLC根據(jù)清水池標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)水流量與實(shí)際清水池進(jìn)水流量的差值計(jì)算所需的頻率值，將該值輸出到變頻器的模擬量輸入口，變頻器則改變頻率，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整清水池進(jìn)水流量合乎要求。清水池水位作為被控變量，水位控制器作為住控制器，該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)被控變量，主副兩個(gè)控制器，因而構(gòu)成主、副兩個(gè)回路，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器的給定值按工藝要求規(guī)定，副控制器的給頂值卻是愛(ài)調(diào)節(jié)過(guò)程中由主控制器給出的。
取水泵房變頻器控制設(shè)計(jì)為串級(jí)控制系統(tǒng)，可以具備以下功能：
1）能夠迅速克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)。擾動(dòng)只要影響到副被控量，調(diào)節(jié)過(guò)程立即開始，是主被控變量的動(dòng)態(tài)偏差大為降低。如一旦絮疑池排平流池排泥、濾池反沖對(duì)洗清水池進(jìn)水流量影響，副控制器立即調(diào)節(jié)變頻器頻率，維持清水池進(jìn)水流量，使清水池水位受到的影響降低。
2）由于副回路的存在，使主回路的響應(yīng)速度有所改善。
3）由于副回路的存在，該回路內(nèi)的過(guò)程特性的變化對(duì)主被控變量的影響大為降低，還可以使操縱變量得到更精確的調(diào)節(jié)。
取水泵房串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵在于選好副被控流量；首先，副被控變量應(yīng)有直接的因果關(guān)系。其次，副被控變量應(yīng)處于整個(gè)對(duì)象的中間點(diǎn)，主、副對(duì)象要適當(dāng)分割。選取清水池進(jìn)水流量作為副被控變量既是根據(jù)調(diào)度員手動(dòng)控制的實(shí)踐，又是根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)理論得出的。在主、副控制器的控制目標(biāo)應(yīng)該選用PI、PID或其他特殊的控制規(guī)律，副控制器一般選用P或PI為宜。因?yàn)楦笨刂破鞯目刂颇繕?biāo)是使主被控變量平穩(wěn)，對(duì)副被控變量的過(guò)度過(guò)程品質(zhì)并沒(méi)有嚴(yán)格的要求，只是要求過(guò)度過(guò)程快一點(diǎn)，在保持穩(wěn)定的條件上可制作用適當(dāng)?shù)膹?qiáng)一些。一般，副可制器選用比例控制規(guī)律已經(jīng)可以合格。
4 結(jié)論
在現(xiàn)代自動(dòng)化水廠中，為了滿足工藝一切，平滑調(diào)節(jié)進(jìn)水流量及出水壓力，一般都采用了變頻調(diào)速來(lái)代替老式用閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速可以降低電耗，還可以實(shí)現(xiàn)取水泵房和送水泵房的自動(dòng)控制，無(wú)人值守，進(jìn)行安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗供水，推動(dòng)了供水技術(shù)前進(jìn)。還有一點(diǎn)要指出的是，水泵站的餓變頻調(diào)速是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，它的通訊功能必須是接受網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的性能，除了接受水泵站的監(jiān)控，也要接受監(jiān)控中心的監(jiān)控，必須是具有遠(yuǎn)程I/O接口。特別要指出的是變頻調(diào)速不是單一進(jìn)行的，與整個(gè)水廠工藝流程，乃至戰(zhàn)爭(zhēng)個(gè)城市的供水優(yōu)化調(diào)度有不可分割的流程監(jiān)控關(guān)系。采用西門子自動(dòng)化技術(shù)，采用西門子G150及SIMOVERT裝置，可以做倒個(gè)在網(wǎng)絡(luò)上的監(jiān)控統(tǒng)一：一是統(tǒng)一編程，將驅(qū)動(dòng)工具集成到SIMATIC管理器中，通過(guò)SIMATIC，可統(tǒng)一網(wǎng)上任何點(diǎn)上的計(jì)算機(jī)界面和操作環(huán)境；二是統(tǒng)一數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理；三是太陽(yáng)通訊方式。在變頻器的電壓選擇中，小于500KW的水泵機(jī)組要盡量選用低壓等級(jí)的變頻器。500KW到1000KW的水泵機(jī)組可選用690V的三電平變頻器，大于800KW以上的水泵機(jī)組可選用2.3/3.3/4.16/6.0/6.6KW等系列的變頻器，不同電壓等級(jí)的西門子電動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)已能組裝生產(chǎn)，客戶沒(méi)有后顧之憂。就是中壓型的變頻器，也要盡量選用耐壓等級(jí)比較高的高可靠性中壓IGBT元件。SIEMENS/EUPEC生產(chǎn)的中壓IGBT的功率半導(dǎo)體是全球最優(yōu)的元件之一，可用來(lái)組建整流側(cè)和逆變側(cè)的直流回路，無(wú)需限流電控器，并可短路保護(hù)，觸發(fā)器數(shù)目很少，無(wú)緩沖/吸收電路，模塊結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，可靠性更高。
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