1、引言
據統計，我國的發電總量的70%左右消耗在電動機上，風機、水泵消耗我國發電總量的40%左右。用電機變頻調速來代替原有閥門調節流量，我國每年可節約用電300-400億千瓦小時。在自來水行業，變頻器主要應用在取水泵房、送水泵房，除了可以節電，還可以平滑調節取水流量、送水壓力，滿足制水、供水工藝要求。
2、變頻器在自動化水廠的軟、硬件設置
在大部分新建、改建的自動化水廠的取水泵房、送水泵房，一般都配備了變頻器，用來降低電耗、改善工藝條件。變頻器的控制方式一般具備就地手動與PLC自動兩種運行模式，通過現場控制箱可以切換。下面以水廠為例說明變頻器在自動化水廠軟、硬件設置的一些方法。
現舉例某水廠引進的變頻器西門子公司生產的系列變頻器。送水泵房配備四臺變頻機組，向城市管網供水。每臺變頻機組配備一臺變頻變壓器，一次側電壓為6KV，二次側電壓為690V。變頻器自身損耗為額定功率的3%左右。
變頻器有6個數字量輸入，3個模擬量輸入，3個數字量輸出，2個模擬量輸出。通過變頻器軟件設置，數字量輸入口1作為就地手動的“開/停”控制，數字量輸入口2作為“就地手動/PLC自動”切換控制，數字量輸入口3作為就地手動的“增速”控制，數字量輸入口4作為就地手動的“減速”控制，數字量輸入口5作為“故障緊急停車”控制，數字量輸入口6作為PLC自動的“開/停”控制，模擬量輸入口2作為PLC自動的“頻率”控制。數字量輸出口1為變頻器“準備”信號，數字量輸出口2為變頻器“運行”信號，數字量輸出口3為變頻器“故障”信號，模擬量輸出口1為變頻器“轉速”信號，模擬量輸出口2為變頻器“電流”信號。這樣可以實現變頻器的手動或自動運行，并對變頻器的相關運行數據進行實時監測。這是一個泵站水泵機組監控設置，由于現狀是千變萬化的，要因地制宜進行設置。
西門子公司SINAMICS G150等系列變頻器軟件具備以下主要功能：過流保護，Vdcmax控制器可自動防止直流側過壓保護，直流側欠壓保護，電源|穩壓器模塊過溫保護，短路保護，輸入缺相保護，環境溫度檢測等。編程軟件具備以下主要功能：控制信號檢測，面板丟失處理，外部故障處理，電機熱保護，堵轉保護，缺相保護，接地故障保護，電流和轉矩限制，頻率限制，臨界頻率鎖定等。自動重新啟動，可以在掉電或系統恢復后重新啟動驅動系統。快速再啟動，可允許變頻器與旋轉電動連接。特別要指出的是：西門子公司G150等系統變頻器，可以很方便的在內部和外部進行監控，通過PROFIBUS或PROFINET工業以太網的接口和客戶端子板的模擬量輸入進行監控，可在網上的任何點進行監控。
3、變頻器在自動化水廠送水泵房的應用
在自動化水廠送水泵房中，使用變頻器的主要目的是用來降低電耗、平滑調節出廠水壓力。通過自控系統的PLC或利用變頻器本體的PID調節，可以讓變頻器自動調速，恒壓供水，實現送水泵房的無人值守，提高生產效率及安全性。下面以某水廠為例說明變頻器在送水泵房的一些應用。
某水廠送水泵房采用SINAMICSG150系統變頻器，PLC采用西門子公司的S7－200/300/400可編程序控制器（根據監控內容的多少來選擇）。出水總管上配備E+H公司的PMC133壓力傳感器，將實際出廠水壓力信號輸入PLC。中控室值班員工根據總公司中心調度室指令將標準出廠水壓力值通過計算機人機界面輸入PLC中。PLC根據標準出廠水壓力值與實際出廠水壓力值之間的差值計算所需的頻率值，將該值輸出到變頻器的模擬量輸入口，變頻器則改變頻率，調整電機轉速，達到調整出廠水壓力,進行閉環控制。控制原理見圖1。
圖1 送水泵房閉環控制原理圖
4、變頻器在自動化水廠取水泵房的應用
在自動化水廠取水泵房中，使用變頻器的主要目的是用來降低電耗、平滑調節取水流量。通過自控系統的PLC或利用變頻器本體的PID調節，可以讓變頻器自動調速，保持清水池水位穩定，實現取水泵房的無人值守，高效、優質供水。
在自動化水廠取水泵房變頻器的控制設計上，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，而改變取水泵房變頻器頻率對清水池水位變化的時間滯后較大，同時絮凝池排泥、平流池排泥、濾池反沖洗、出廠水流量變化對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組調速節能的方法不盡大意。有的水廠在控制上采取了部分簡化，將清水池水位分段控制變頻器頻率，但使用效果不理想。下面談談取水泵房變頻器控制的一些想法。
在取水泵房變頻器控制系統中，由技術人員通過計算機人機界面將清水池標準水位值輸入PLC，PLC自動根據清水池標準水位值與實際水位值之間的差值通過PID運算得出清水池所需的標準進水流量。PLC根據清水池標準進水流量與實際清水池進水流量的差值計算所需的頻率值，將該值輸出到變頻器的模擬量輸入口，變頻器則改變頻率，調整電機轉速，調整清水池進水流量合乎要求。清水池水位作為主被控變量，水位控制器作為主控制器，清水池進水流量作為副被控變量，流量控制器作為副控制器。該系統有主、副兩個被控變量，主、副兩個控制器，因而構成主、副兩個回路，構成串級控制系統。串級控制系統中主控制器的給定值按工藝要求規定，副控制器的給定值卻是在調節過程中，由主控制器給出的。串級控制原理圖見圖2。
圖2 取水泵房串級控制原理圖
取水泵房變頻器控制設計為串級控制系統，可以具備以下功能。1、能夠迅速克服進入副回路的擾動。擾動只要影響到副被控變量，調節過程立即開始，使主被控變量的動態偏差大為降低。如一旦絮凝池排泥、平流池排泥、濾池反沖洗對清水池進水流量影響，副控制器立即調節變頻器頻率，維持清水池進水流量，使清水池水位受到的影響降低。2、由于副回路的存在，使主回路的響應速度有所改善。3、由于副回路的存在，該回路內的過程特性的變化對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節。
取水泵房串級控制系統設計中，關鍵在于選好副被控變量。首先，副被控變量與主被控變量應有直接的因果聯系。其次，副被控變量應能受到主要擾動的影響，并有所反映。再次，副被控變量應處于整個對象的中間點，主、副對象要適當分割。選取清水池進水流量作為副被控變量既是根據調度員工手動控制的實踐，又是根據串級控制系統理論得出的。在主、副控制器的控制規律選擇上，主控制器應該選用PI、PID或其他特殊的控制規律，副控制器一般選用P或PI為宜。因為副控制器的控制目標是使主被控變量平穩，對副被控變量的過度過程品質并沒有嚴格的要求，只是要求過度過程快一點，在保持穩定的條件上控制作用適當的強一些。一般，副控制器選用比例控制規律已經可以合格。
5、結論
在現代自動化水廠中，為了滿足工藝要求，平滑調節進水流量及出水壓力，一般都采用了變頻調速代替老式用閥門進行調節。變頻調速可以降低電耗，還可實現取水泵房、送水泵房的自動控制，無人值守，進行安全、優質、高效、低耗供水，推動了供水技術前進。還有一點要指出的是，水泵站的變頻調速是整個監控系統的一個重要的設備之一，它的通訊功能必須接受網絡監控的性能，除了接受水泵站的監控，也要接受這方監控總中心的監控，必須具有遠程I/O接口。
特別要指出的是變頻調速不是單一進行的，與整個水廠工藝流程，乃至整個城市的供水優化調度有不可分割的流程監控關系。采用西門子自動化技術，采用西門子G150及SIMOVERTMV IN TIA裝置。可以做到三個在網絡上的監控統一：一是統一編程，將驅動五金|工具集成到SIMATIC管理器中，通過SIMATIC，可統一網上任何點上的計算機界面和操作環境。二是可做到統一數據儲存管理。三是統一通訊方式。
在變頻器的電壓選擇中，小于500KW的水泵機組要盡量選用低壓等級的變頻器，500KW至1000KW的水泵機組可選用690V的三電平變頻器。大于800KW以上的水泵機組可選用2.3/3.3/4.16/6.0/6.6KV等系列的變頻器，不同電壓等級的西門子電動機在國內已能組裝生產，客戶沒有后顧之憂。就是中壓型的變頻器，也要盡量造用耐壓等級高的高可靠性的中壓IGBT元件，SIEMENS/EUPEC生產的中壓IGBT的功率半導體是全球最優的元件之一，用來組建整流側和逆變側的直流回路，無需限流電控器，具有短路保護，觸發器數目很少，無緩沖/吸收電路，模塊化結構緊湊，維修方便，可靠性更高，希望西門子等公司推出價格比更高，更符合中國國情的變頻裝置。
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