水廠恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用
1 引言
出廠水的恒壓供水是自來水生產(chǎn)流程中的重要一環(huán)，送水壓力的穩(wěn)定及精度與否直接影響到千家萬戶的正常用水。在能源日益緊張的今天，變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，以及在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的廣泛適用性，而且變頻調(diào)速在改變水泵性能和自動控制方面優(yōu)勢明顯。下面以揭陽市第二水廠的送水泵房恒壓控制系統(tǒng)作分析。
2 系統(tǒng)設(shè)計
為降低生產(chǎn)成本，改善工藝條件，提高生產(chǎn)效率及安全性，消除水錘效應(yīng)的破壞性，平滑調(diào)節(jié)出廠水壓力。揭陽市第二水廠送水系統(tǒng)采用由PLC、變頻器（內(nèi)藏PID）、變頻泵、定速泵、自動化儀表及計算機等組成了串級全自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。
泵房主要配備：1臺Telemecanique公司的PLC TSX8740、2臺施耐德公司的GD2377變頻器、2臺250KW的變頻泵、3臺250KW的定速泵，向城市管網(wǎng)供水。
中控室值班人員可將出廠水壓力通過計算機人機界面輸入到PLC中，PLC根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的出廠水壓力值與實際出廠水壓力值之差，經(jīng)計算，改變變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整出廠水壓力的作用，進(jìn)行閉環(huán)控制。并且安裝了就手動與PLC自動控制兩種運行模式，通過MCC柜及現(xiàn)場控制柜可以切換。
根據(jù)市區(qū)實際用水情況，安裝了PC全自動調(diào)節(jié)程序，各用水時段壓力調(diào)整如下：
時段 0--5 5--6 6--16 16--22 22--23 23--0
設(shè)定壓力（bar） 3.6 4 4.2 4.5 4.2 3.8
3變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用
3.1變頻器選型設(shè)計
項目選用施耐德GD2377變頻器，具有如下應(yīng)用特點：
（1）降低電機啟動電流和配電容量，避免增容投資。在電網(wǎng)上直接啟動電動機，其容量不得大于電網(wǎng)容量的15—20%，選用GD2377變頻器后，可把變壓器的容量下降至傳統(tǒng)驅(qū)動方式時的40—50%。
（2）降低啟動機械應(yīng)用，減少直接起動帶來的機械沖力和機械的磨損，延長電機及相關(guān)設(shè)備的壽命。
（3）軟起動、軟停機，具有過流保護、直流側(cè)欠壓過壓保護、模塊過溫保護、短路保護、環(huán)境溫度檢測等功能。
（4）開放式操作顯示鍵盤和屏幕，操作靈活，便于故障診斷。
（5）微處理控制系統(tǒng)，PID控制功能，支持多種通訊接口，性能可靠。
（6）具有自動復(fù)位、自動重新啟動功能，可以在故障解除或系統(tǒng)恢復(fù)后重新啟動系統(tǒng)。
3.2系統(tǒng)功能
PLC和內(nèi)藏PID功能的變頻器組成的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，由于采用串級控制系統(tǒng)，可以具備以下功能：
（1）由于副環(huán)具有快速作用，它能夠有效地克服二次擾動的影響，擾動只要影響到副被控制量，調(diào)節(jié)過程立即開始，使主被控量變量的動態(tài)偏差大為降低。
（2）由于副環(huán)起了改善對象動態(tài)特性的作用，因此，可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。
（3）由于副環(huán)的存在，使系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。
為了保持串級控制系統(tǒng)的控制性質(zhì)，還應(yīng)避免閉合副環(huán)進(jìn)入高增益區(qū)，主回路周期T1為（1—3）T2的區(qū)域，即T1＞3T2，以免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
3.3自動控制規(guī)則
（1）從計算機輸入壓力設(shè)定值（Pset）,啟動變頻泵，PID調(diào)節(jié)器（PLC） 將根據(jù)用水量Q的變化調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率f，使出廠水管網(wǎng)壓力等于設(shè)定壓力（Pout = Pset ）。
（2）當(dāng)變頻器頻率調(diào)至最大值（fmax）,而送水壓力仍小于設(shè)定值Pset時，則變頻器頻率調(diào)至最小值(fmin),同時啟動一臺定速泵。
即f = fmax 時，Pout ＜ Pset ，則f = fmin , 啟動一臺定速泵。
（3）當(dāng)變頻器頻率調(diào)至最小值（fmin),而送水壓力（Pout）仍大于設(shè)定值（Pset）時，則停止一臺定速泵運行，同時將變頻器頻率上調(diào)。
最大、最小轉(zhuǎn)速的確定：
TMH[meter] = PT10[bar] 10.2 + 5 － LIT10[meter]
Speedmax[Hz] = TMH 0.714 + 23.57
Speedmin[Hz] = TMH 0.442 + 22.74
經(jīng)計算，變頻器的最大頻率為50Hz，最小頻率為40Hz，即為最大轉(zhuǎn)速的80—100%。
全電壓起動與變頻起動的效果對比：
在全拖動系統(tǒng)中，決定加速過程的是動態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ：
TJ =Tm － TL
根據(jù)異步電動機和水泵的機械特性，可知水泵在直接起動過程中，拖動系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ的大小如陰影部分所示，是很大的。所以加速過程很快。而采用變頻調(diào)速后，可以通過對升速時間的預(yù)置來延長起動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減少。在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預(yù)置來延長停機過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。
4結(jié)束語
在現(xiàn)代自動化水廠中，采用變頻調(diào)速的恒壓控制系統(tǒng)，可以降低電耗，安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗供水。
出廠水的恒壓供水是自來水生產(chǎn)流程中的重要一環(huán)，送水壓力的穩(wěn)定及精度與否直接影響到千家萬戶的正常用水。在能源日益緊張的今天，變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，以及在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的廣泛適用性，而且變頻調(diào)速在改變水泵性能和自動控制方面優(yōu)勢明顯。下面以揭陽市第二水廠的送水泵房恒壓控制系統(tǒng)作分析。
2 系統(tǒng)設(shè)計
為降低生產(chǎn)成本，改善工藝條件，提高生產(chǎn)效率及安全性，消除水錘效應(yīng)的破壞性，平滑調(diào)節(jié)出廠水壓力。揭陽市第二水廠送水系統(tǒng)采用由PLC、變頻器（內(nèi)藏PID）、變頻泵、定速泵、自動化儀表及計算機等組成了串級全自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。
泵房主要配備：1臺Telemecanique公司的PLC TSX8740、2臺施耐德公司的GD2377變頻器、2臺250KW的變頻泵、3臺250KW的定速泵，向城市管網(wǎng)供水。
中控室值班人員可將出廠水壓力通過計算機人機界面輸入到PLC中，PLC根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的出廠水壓力值與實際出廠水壓力值之差，經(jīng)計算，改變變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整出廠水壓力的作用，進(jìn)行閉環(huán)控制。并且安裝了就手動與PLC自動控制兩種運行模式，通過MCC柜及現(xiàn)場控制柜可以切換。
根據(jù)市區(qū)實際用水情況，安裝了PC全自動調(diào)節(jié)程序，各用水時段壓力調(diào)整如下：
時段 0--5 5--6 6--16 16--22 22--23 23--0
設(shè)定壓力（bar） 3.6 4 4.2 4.5 4.2 3.8
3變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用
3.1變頻器選型設(shè)計
項目選用施耐德GD2377變頻器，具有如下應(yīng)用特點：
（1）降低電機啟動電流和配電容量，避免增容投資。在電網(wǎng)上直接啟動電動機，其容量不得大于電網(wǎng)容量的15—20%，選用GD2377變頻器后，可把變壓器的容量下降至傳統(tǒng)驅(qū)動方式時的40—50%。
（2）降低啟動機械應(yīng)用，減少直接起動帶來的機械沖力和機械的磨損，延長電機及相關(guān)設(shè)備的壽命。
（3）軟起動、軟停機，具有過流保護、直流側(cè)欠壓過壓保護、模塊過溫保護、短路保護、環(huán)境溫度檢測等功能。
（4）開放式操作顯示鍵盤和屏幕，操作靈活，便于故障診斷。
（5）微處理控制系統(tǒng)，PID控制功能，支持多種通訊接口，性能可靠。
（6）具有自動復(fù)位、自動重新啟動功能，可以在故障解除或系統(tǒng)恢復(fù)后重新啟動系統(tǒng)。
3.2系統(tǒng)功能
PLC和內(nèi)藏PID功能的變頻器組成的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，由于采用串級控制系統(tǒng)，可以具備以下功能：
（1）由于副環(huán)具有快速作用，它能夠有效地克服二次擾動的影響，擾動只要影響到副被控制量，調(diào)節(jié)過程立即開始，使主被控量變量的動態(tài)偏差大為降低。
（2）由于副環(huán)起了改善對象動態(tài)特性的作用，因此，可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。
（3）由于副環(huán)的存在，使系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。
為了保持串級控制系統(tǒng)的控制性質(zhì)，還應(yīng)避免閉合副環(huán)進(jìn)入高增益區(qū)，主回路周期T1為（1—3）T2的區(qū)域，即T1＞3T2，以免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
3.3自動控制規(guī)則
（1）從計算機輸入壓力設(shè)定值（Pset）,啟動變頻泵，PID調(diào)節(jié)器（PLC） 將根據(jù)用水量Q的變化調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率f，使出廠水管網(wǎng)壓力等于設(shè)定壓力（Pout = Pset ）。
（2）當(dāng)變頻器頻率調(diào)至最大值（fmax）,而送水壓力仍小于設(shè)定值Pset時，則變頻器頻率調(diào)至最小值(fmin),同時啟動一臺定速泵。
即f = fmax 時，Pout ＜ Pset ，則f = fmin , 啟動一臺定速泵。
（3）當(dāng)變頻器頻率調(diào)至最小值（fmin),而送水壓力（Pout）仍大于設(shè)定值（Pset）時，則停止一臺定速泵運行，同時將變頻器頻率上調(diào)。
最大、最小轉(zhuǎn)速的確定：
TMH[meter] = PT10[bar] 10.2 + 5 － LIT10[meter]
Speedmax[Hz] = TMH 0.714 + 23.57
Speedmin[Hz] = TMH 0.442 + 22.74
經(jīng)計算，變頻器的最大頻率為50Hz，最小頻率為40Hz，即為最大轉(zhuǎn)速的80—100%。
全電壓起動與變頻起動的效果對比：
在全拖動系統(tǒng)中，決定加速過程的是動態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ：
TJ =Tm － TL
根據(jù)異步電動機和水泵的機械特性，可知水泵在直接起動過程中，拖動系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ的大小如陰影部分所示，是很大的。所以加速過程很快。而采用變頻調(diào)速后，可以通過對升速時間的預(yù)置來延長起動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減少。在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預(yù)置來延長停機過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。
4結(jié)束語
在現(xiàn)代自動化水廠中，采用變頻調(diào)速的恒壓控制系統(tǒng)，可以降低電耗，安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗供水。
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