凈水廠水泵機組變頻調(diào)速設(shè)計運行總結(jié)

以3#水泵為例，一拖一包括高壓變頻器U、3 個真空接觸器KM31、KM32、KM33以及2個高壓隔離開關(guān)QS31、QS32，其中KM31、KM32、KM33為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動切換。QS31和QS32為高壓隔離開關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。

這種控制方式具有以下特點。

1)可以實現(xiàn)工頻/ 變頻自動切換功能在變頻器出現(xiàn)嚴重故障時，系統(tǒng)能夠自動切入工頻電網(wǎng)中，斷開變頻器時，負載不用停機，滿足現(xiàn)場不能停機要求;

2)易實現(xiàn)四運兩備運行方式即一臺變頻運行，三臺工頻運行，兩臺工頻備用;或者是四臺工頻運行，一臺工頻備用，一臺變頻備用。

3.2 三水廠的取水廠

選用HARSVERT-A 型高壓變頻器一拖一的方案，如圖6所示，與凈水廠的方案基本相同只是根據(jù)水泵的臺數(shù)不同，采用了三運一備運行方式，即一臺變頻運行，二臺工頻運行，一臺工頻備用;或者是三臺工頻運行，一臺變頻備用。

4 變頻調(diào)速設(shè)備

HARSVERT-A 高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓撲，具有如下特點：采用輸入多重化設(shè)計，高次諧波含量非常小，輸出采用單元模塊串聯(lián)，使得諧波含量極低，在無輸出濾波器的情況下，可使

THD3豫，堪稱“完美無諧波”高壓變頻器;極低的轉(zhuǎn)矩紋波和電機噪聲;功率因數(shù)可達0.95;對電機絕緣無損害，電纜長度無限制;便于冗余設(shè)計;中文操作界面便于維修。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HARSVERT-A 系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10 000 V系列有24 個功率單元，每8個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

4.2 功率單元結(jié)構(gòu)

每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。為基本的交-直-交單相逆變電路，即三相輸入經(jīng)三相二極管整流橋輸出直流后，再經(jīng)SPWM控制的單相IGBT逆變橋輸出單相交流電。

當某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運行，變頻器可持續(xù)降額運行;如此可減少很多場合下停機造成的損失。

4.3 控制器

控制器核心由高速DSP和工控PC 協(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控PC 提供友好的全中文Windows監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破鬟€包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強了系統(tǒng)的靈活性。

控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標準箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元采用FPGA、CPLD 等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

5 軟件設(shè)計及自動化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

5.1 軟件設(shè)計

上位機系統(tǒng)選用亞控公司的組態(tài)王軟件。該軟件具有友好的人機界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)，可以很方便地實現(xiàn)遠程監(jiān)視等功能，報表、報警功能強大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。

軟件設(shè)計過程中，由于上位機的程序組態(tài)王不直接支持西門子的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，因此需要利用OPC Server來作為過渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機器可以方便調(diào)用該機的參數(shù)，便于遠程監(jiān)視。

兩臺上位機同時監(jiān)控整個系統(tǒng)，當主上位機A故障退出時，從上位機B仍然能實時監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

5.2 自動化網(wǎng)路設(shè)計

控制系統(tǒng)由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機組成。其中主控系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC、旁路柜內(nèi)置西門子S7-200-PLC、上位機監(jiān)控選用組態(tài)王軟件。通訊網(wǎng)路在底層采用ProfibusDP總線，主控PLC 和上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門子S7-300 PLC作為整個系統(tǒng)的控制核心，處理人機界面對系統(tǒng)的各種請求，對整個系統(tǒng)的參數(shù)進行監(jiān)控，實現(xiàn)對集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)的壓力恒定。自動旁路柜集成有S7-200 PLC，完成變頻工頻切換功能。上位機系統(tǒng)采用用戶熟悉的組態(tài)王監(jiān)控軟件，與PLC 的連接采用以太網(wǎng)方式?？紤]現(xiàn)場工況，對安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，我們現(xiàn)場控制級采用Profibus DP總線連接，監(jiān)控操作級采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網(wǎng)主服務(wù)器系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視。系統(tǒng)中西門子S7-200 配置EM277 Profibus 總線模塊，S7-300 選用315-2 DP，并配置CP341-1T 以太網(wǎng)模塊，PLC集成的DP 接口用于連接S7-200，以太網(wǎng)模塊CP343-1T 用于和上位機的以太網(wǎng)連接。

控制網(wǎng)絡(luò)具有良好的穩(wěn)定性、擴展性、軟硬件的開放性以及友好的人機界面，上位機按冗余控制配置等優(yōu)點。

6 結(jié)語

用高壓變頻器控制水泵機組，大大改善了供水、凈水生產(chǎn)及現(xiàn)場環(huán)境，完全達到了生產(chǎn)工藝要求。PLC 控制技術(shù)、Profibus 總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得水泵機組集成自動化程度高，具有運行穩(wěn)，操作簡單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點。

吉林市三水廠高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應用，對于節(jié)約電能、減員增效、技術(shù)創(chuàng)新，具有很強的通用性，值得推廣。

要想送水泵站每臺泵實現(xiàn)優(yōu)化運行，就要研究其定性與定量的運行規(guī)律。我們根據(jù)吉林市區(qū)用水曲線、出廠壓力與管網(wǎng)壓力控制點，清水池水位等參數(shù)，正在建立優(yōu)化控制數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上，下一步我們將定量控制凈水廠泵站定速與變頻調(diào)速機組優(yōu)化運行時的流量、揚程、效率。這樣可以根據(jù)用戶對用水量與揚程要求，實現(xiàn)最優(yōu)化控制。這種方式實現(xiàn)之時，既可以滿足用戶對水量、水壓的需要，又可以明顯降低電耗。這是我們面臨的一個艱巨的、必須攻克的難題。

吉林市凈水廠送水泵房水泵機組調(diào)速的經(jīng)濟效果很明顯，比不調(diào)速節(jié)能30豫左右，而且設(shè)備運行可靠，操作維護方便，由計算機控制，實現(xiàn)了吉林市第三凈水廠優(yōu)化控制，現(xiàn)代化管理。我們將繼續(xù)努力，力爭將吉林三水廠建成國內(nèi)先進水平的水廠。