水廠；變頻器；自動(dòng)化；網(wǎng)絡(luò)化；IT技術(shù)
1、引言
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(mén)調(diào)節(jié)流量，我國(guó)每年可節(jié)約用電300-400億千瓦小時(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。
2、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、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)明變頻器在自動(dòng)化水廠軟、硬件設(shè)置的一些方法。
現(xiàn)舉例某水廠引進(jìn)的變頻器西門(mén)子公司生產(chǎn)的系列變頻器。送水泵房配備四臺(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(kāi)/�！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(kāi)/�！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為變頻器“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)，模擬量輸出口2為變頻器“電流”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)測(cè)。這是一個(gè)泵站水泵機(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(mén)子公司SINAMICS G150等系列變頻器軟件具備以下主要功能：過(guò)流保護(hù)，Vdc max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|穩(wěn)壓器模塊過(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，外部故障處理，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，頻率限制，臨界頻率鎖定等。自動(dòng)重新啟動(dòng)，可以在掉電或系統(tǒng)恢復(fù)后重新啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。快速再啟動(dòng)，可允許變頻器與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)連接。特別要指出的是：西門(mén)子公司G150等系統(tǒng)變頻器，可以很方便的在內(nèi)部和外部進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)PROFIBUS或PROFINET工業(yè)以太網(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)上的任何點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。
3、變頻器在自動(dòng)化水廠送水泵房的應(yīng)用
在自動(dòng)化水廠送水泵房中，使用變頻器的主要目的是用來(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或利用變頻器本體的PID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。
某水廠送水泵房采用SINAMICS G150系統(tǒng)變頻器，PLC采用西門(mén)子公司的S7－200/300/400可編程序控制器（根據(jù)監(jiān)控內(nèi)容的多少來(lái)選擇）。出水總管上配備E+H公司的PMC133壓力傳感器，將實(shí)際出廠水壓力信號(hào)輸入PLC。中控室值班員工根據(jù)總公司中心調(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，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，達(dá)到調(diào)整出廠水壓力,進(jìn)行閉環(huán)控制。控制原理見(jiàn)圖1。
圖1 送水泵房閉環(huán)控制原理圖
4、變頻器在自動(dòng)化水廠取水泵房的應(yīng)用
在自動(dòng)化水廠取水泵房中，使用變頻器的主要目的是用來(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或利用變頻器本體的PID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)絮凝池排泥、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)能的方法不盡大意。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)算得出清水池所需的標(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。清水池水位作為主被控變量，水位控制器作為主控制器，清水池進(jìn)水流量作為副被控變量，流量控制器作為副控制器。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，副控制器的給定值卻是在調(diào)節(jié)過(guò)程中，由主控制器給出的。串級(jí)控制原理圖見(jiàn)圖2。
圖2 取水泵房串級(jí)控制原理圖
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)只要影響到副被控變量，調(diào)節(jié)過(guò)程立即開(kāi)始，使主被控變量的動(dòng)態(tài)偏差大為降低。如一旦絮凝池排泥、平流池排泥、濾池反沖洗對(duì)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)鍵在于選好副被控變量。首先，副被控變量與主被控變量應(yīng)有直接的因果聯(lián)系。其次，副被控變量應(yīng)能受到主要擾動(dòng)的影響，并有所反映。再次，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)度員工手動(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、副控制器的控制規(guī)律選擇上，主控制器應(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)定的條件上控制作用適當(dāng)?shù)膹?qiáng)一些。一般，副控制器選用比例控制規(guī)律已經(jīng)可以合格。
5、結(jié)論
在現(xiàn)代自動(dòng)化水廠中，為了滿足工藝要求，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)速代替老式用閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速可以降低電耗，還可實(shí)現(xiàn)取水泵房、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，水泵站的變頻調(diào)速是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要的設(shè)備之一，它的通訊功能必須接受網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的性能，除了接受水泵站的監(jiān)控，也要接受這方監(jiān)控總中心的監(jiān)控，必須具有遠(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，乃至整個(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(mén)子自動(dòng)化技術(shù)，采用西門(mén)子G150及SIMOVERT MV IN TIA裝置。可以做到三個(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)五金|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。二是可做到統(tǒng)一數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理。三是統(tǒng)一通訊方式。
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至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2.3/3.3/4.16/6.0/6.6KV等系列的變頻器，不同電壓等級(jí)的西門(mén)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，也要盡量造用耐壓等級(jí)高的高可靠性的中壓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，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，具有短路保護(hù)，觸發(fā)器數(shù)目很少，無(wú)緩沖/吸收電路，模塊化結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，可靠性更高，希望西門(mén)子等公司推出價(jià)格比更高，更符合中國(guó)國(guó)情的變頻裝置。