變頻器在自來水廠中的應用

摘 要：本文以臨清市自來水廠為例，設計了一套城市供水控制系統方案。系統集通信、網絡、現場總線、PLC、計算機、微波通訊及自動化、遠程控制等諸多先進技術于一體，充分體現了現代信息技術和自動化技術在城市供水系統中的應用。尤其詳細介紹了變頻器在系統中的應用。

關鍵詞：現場總線，遠程監控，供水系統

Abstract：The article is based on the real project, and designs a long-distance water supply control system for Linqing City. The project comprises the pump station control system, network, communication，computer center in the waterworks, the long-distance monitor of the water conservancy and the wired and wireless net transmission system ,and details the technique about the frequency converter in the systerm.

Keywords: Process field Bus, Long-distance monitor, Water supply system

1.引言

　　近年來我國中小城市發展迅速，集中用水量急劇增加。據統計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設施等非生產用水）有175.7升增加到241.1升，增長了37.2%[1]，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成很多城市公用管網水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據經驗進行人工手動調節很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時水位達不到要求,供水壓力不足，用水低峰期時供水水位超標,壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。

　　本文以臨清市自來水廠為例，設計了一套城市供水控制系統方案。整個供水系統主要包括兩大部分：水源地引水采集系統及水廠恒壓輸水系統。

　　水源地引水采集系統主要由6組現地供水井群組成。每組供水井群由一個現地井群集中控制室及5眼水井組成,每眼水井有一現地控制井房。現地井群集中控制室設有本組水井高低壓配電系統及本組水泵啟停集中控制系統。5眼水井分別為1眼深井及4眼淺井，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#井，其中1#及2# 井分布在集中控制室，3、4、5#井以集中控制室為中心呈分布式分布。臨清市第二水廠主要由總控室中心控制系統、高低壓配電系統、蓄水池、加藥泵房、二泵房組成。其中總控室中心控制系統是整個系統的核心。二泵房共有4臺供水泵組成，其中50KW變頻泵2臺，75KW變頻泵2臺，主要完成對臨清市的變頻恒壓供水;總控室中心控制系統作為整個供水系統的監控調度中心，負責整個供水系統的5臺輸水泵及30眼水井泵的集中調度與控制。

2.控制系統構成

　　系統采用德國Siemens PLC（可編程序控制器）S7 200作為現場級測控設備，選用了帶PROFIBUS接口的PLC S7-300為主站，它為每一個現場級站點分配一個地址，在預定的信息周期內與分散的站點交換信息，采用Simatic WinCC作為上位監控軟件。總控室中心控制系統選用帶PROFIBUS-DP網卡（CP5611）接口的工控機WINCC為總主站，通過Profibus現場總線與二泵房控制單元中的S7-314和井群中心控制單元中的S7-314相連。其中，以井群中心控制單元中的S7-314為主站，井群現地控制單元中的S7-314為從站（此為電臺通信）;以井群現地控制單元中的S7-314為主站，單井控制單元中的是S7-222為從站，形成了多級遠程分布式控制系統。它通過二泵房控制單元中的S7-314在每一個信息周期內收集變頻器狀態、閥門狀態、壓力、流量、水位等信息，把這些信息傳送到PC機，并把PC機的優化信號送回，控制各水泵的啟停及轉速，配合閥門的控制達到優化的目的。它通過井群中心控制單元中的S7-314控制水源地各水泵的啟停。系統集通信、網絡、現場總線、PLC、計算機、微波通訊及自動化、遠程控制等諸多先進技術于一體，充分體現了現代信息技術和自動化技術在城市供水系統中的應用。結構如圖1所示。

3.變頻調速恒水位控制系統的應用

3.1變頻器的控制方式

　　變頻器的發展已有數十年的歷史，在變頻器的發展過程中也曾經出現過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖3—1所示的基本結構。

　　變頻調速的控制方式經歷了V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制的發展，前者屬于開環控制，后兩者屬于閉環控制，正在發展的是直接轉矩控制。

　　1、V/F控制

　　異步電動機的轉速與定子電源頻率f和極對數有關，改變f 就可以平滑的調節同步轉速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉矩不足的現象，所以在改變f的同時，還需要調節定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優良。

　　2、轉差頻率控制

　　由電機學的基礎知識可知，異步電動機轉矩M與氣隙磁通Φ、轉差頻率f2的關系為：

　　（2-1）

　　只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉差頻率f2就可以控制電動機的轉矩，這就是轉差頻率控制。

　　3、矢量控制

　　矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉矩的規律，將定子電流分解成相應于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠對轉矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優良的調速性能。

3.2變頻調速的節能、調速原理

　　一、水泵工況點的確定以及變化

　　水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。

　　如果把某一水泵的性能曲線（即H-Q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中（圖3-2），則這兩條曲線的交點A,就是水泵的工作點。 工作點A是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在A點。若把水泵的效率曲線η-Q也畫在同一坐標系中，在圖3-2中可以找出A點的揚程HA、流量QA以及效率hA。

　　從圖3-2中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現新的平衡。另外確定工作點一定要保證水

　　工作點的參數，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中一個重要問題。

　　在變頻調速恒水位供水過程中，水泵工況點的變化如圖3-3所示：

　　當P1、P2高于P0時，說明管網系統用水量減少，管路阻力特性曲線A1、A2 向A0方向變化，此時水泵轉速逐漸降低，管網口壓力也由P2、P1逐漸下降，當P’ 低于P0時，其工況點變化與上述相反即由A1’逐漸向A0移動，使管網系統供水始終保持恒定。

　　根據3-4圖水泵變速恒壓工況分析：當管網用水由Q2、Q1….向Q0移動時，通過改變水泵轉速使P0保持恒定。

　　二、變頻調速恒壓供水系統中水泵工況調節過程

　　交流電動機的轉速n與電源頻率f具有如下關系：

　　n =60 f（1-s）/p （2—2）

　　式2—2中：　p¾極對數,s¾轉差率

　　因此不改變電動機的極對數，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n。改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節水泵工況目的。

　　當管網負載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉速從n1降低到n2。另外根據葉片泵工作原理和相似理論，改變轉速n,可使供水泵流量Q、揚程H和軸功率N以相應規律改變[37]。

　　Q1/Q2=n1/n2 （2—3）

　　H1/H2=（n1/n2）² （2—4）

　　P1/P2 =（n1/n2）³ （2—5）

　　或 H =KQ² （2—6）

　　式2—6是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。

　　在變頻調速恒水位供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的。其工況調節過程可由圖3-5來說明。

　　由上圖可見，設定管網壓力值（揚程）為H0，管網初始用水量為QA，初始工況點為A，水泵電機的轉速為n1，工作點A的軸功率即為AH0OQA四點所圍的面積。當管網負載減小時，管網壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉換成4-20mA電流信號送往模糊調節器，經比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉速至n2,水泵轉速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點A移至B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應減小.。恒壓供水系統中壓力值恒定在H0,因此水泵工作點又沿著轉速n2所對應的水泵性能曲線從點B移至C點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點C點，在圖中可以找出C點的揚程HC、流量QC以及效率hC ，工作點C的軸功率即為CH0OQC四點所圍的面積。

　　考察水泵的效率曲線h-Q,，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。

　　三、變頻調速恒水位供水系統調速范圍的確定

　　考察水泵的效率曲線h-Q,，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉速下降在20%以內，在此范圍內，電動機的負載率在50%-100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區。

3.3系統的方案設計

　　變頻調速恒水位供水系統構成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構成。系統采用一臺變頻器拖動4臺電動機的起動、運行與調速，其中兩臺大機（75KW）和兩臺小機（55KW）分別采用循環使用的方式運行。PLC上接工控計算機，水位傳感器采樣水池水位信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的模糊模塊,PLC根據這兩個信號經模糊運算，發出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。PLC上接工控計算機，上位機裝有監控軟件，對恒水位供水系統進行監測控制。

3.4系統工作過程

　　根據現場生產的實際情況，白天一般只需開動一臺大泵和一臺小泵，就能滿足生產需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵;晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進行設計，即把1#水泵電機（50KW）和2#水泵電機（75KW）為一組，3#水泵電機（50KW）和4#水泵電機（75KW）分為一組。兩組采用循環使用的方式運行，自動控制系統可以根據運行時間的長短來調整選擇不同的機組運行。

　　分析自動控制系統的機組Ⅰ（1#、2#水泵電機）工作過程,可分為以下三個工作狀態：1） 1#電機變頻起動;2）1#電機工頻運行，2#電機變頻運行;3） 2#電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態之中，當源水的水位發生變化時，管網壓力也就隨之變化，三種工作狀態就要發生相應轉換，因此這三種工作狀態對應著三個切換過程。

　　1.切換過程Ⅰ

　　1#電機變頻起動，頻率達到50HZ,1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統開始工作時，水池水位低于設定水位下限hl，按下相應的按鈕,選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下, KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟起動，1#電機起動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻f0（即50HZ），可編程控制器發出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后,開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端,接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開,2#電機開始軟起動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態。從而實現1#水泵由變頻切換至工頻電網運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統調節下變頻器輸出頻率不斷增加，直到水池水位達到設定值為止。

　　2.切換過程Ⅱ

　　由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉變為2#電機單獨變頻運行狀態。

　　當晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值f_min，電機轉速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限Ph時（2# 電機f=f_min,P>Ph）,在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機從工頻斷開，2#水泵繼續在變頻器拖動下變頻運行。

　　3.切換過程Ⅲ

　　由2#電機變頻運行轉變為2#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態。當早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調速運行狀態，當變頻器輸出頻率增至工頻f0（即50Hz），水池水位低于設定水位上限H時，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開， KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開; KM2得電,1#電機接至變頻器輸出端;接通變頻器FWD端,與此同時變頻器BX端斷開,1#電機開始軟起動。控制系統又回到初始工作狀態Ⅰ，開始新一輪循環。

　　在PLC程序設計中，必須認真考慮這三個切換過程，才能保證系統在一個工作周期內實現正常切換與運行。

　　1#和2#機組工作過程流程圖如下：

　　若選擇機組Ⅱ（3#和4#水泵電機）運行，其工作過程和上面類似。

4.結束

　　該控制系統將PLC、變頻器、相應的傳感器和執行機構有機地結合起來，發揮各自優勢，并設計了配套的界面美觀、操作方便的自動控制系統，使得系統調試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數據統計和分析等方面的工作量。實踐證明，系統不僅滿足了生產的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節約用電一項就為水廠創造了巨大的經濟效益。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統具有較大的發展潛力和使用價值。

參考文獻

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　　5. SIEMENS STEP7 5.3編程手冊

　　6. SIEMENS WINCC 組態手冊（1-6）