1 概述
中鋁青海分公司供水加壓泵站由一、二期泵站構(gòu)成，共計(jì)有加壓泵10 臺套，一、二期各5 臺套，每年供水600多萬t。正常情況下，兩個(gè)獨(dú)立控制的泵站的水泵均為三用兩備運(yùn)行狀態(tài)。
1.1 設(shè)備現(xiàn)狀
一期泵站1986年投產(chǎn)，已連續(xù)運(yùn)行20年。5臺水泵型號為150S78A，流量為144 m3/h，揚(yáng)程為62 m，配用電機(jī)型號為JO2-82-2，功率為40 kW；二期泵站1990年8 月投產(chǎn)，已連續(xù)運(yùn)行16 年。5 臺水泵型號為6SH-6A，流為量180 m3/h，揚(yáng)程為55 m，配用電機(jī)型號為JO2-82-2，功率為45 kW。
1.2 存在問題
1）水泵運(yùn)行年限較長，設(shè)備嚴(yán)重老化，故障率高。由于沒有相應(yīng)的備品備件供應(yīng)，所以維修困難。已影響平穩(wěn)供水，對分公司安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。
2）JO2 系列電機(jī)是非節(jié)能產(chǎn)品，是屬國家明令淘汰的電機(jī)產(chǎn)品。
3）由于用水量不穩(wěn)定，水壓忽高忽低，水壓高時(shí)易使供水管網(wǎng)破裂，水壓低時(shí)不能滿足生產(chǎn)生活需要。所以必須及時(shí)調(diào)整水泵水壓，但由于水泵控制分散在兩個(gè)控制室，造成水泵水壓調(diào)整不便。
4）由于是兩個(gè)泵站，所以必須有兩組人員看守、操作泵站，存在人力浪費(fèi)現(xiàn)象。
2 改造方案
在基本保持原有加壓泵站的功能和出力大小的情況下，將原有的10臺套水泵對應(yīng)更換為ISO系列，流量為150耀180 m3/h，揚(yáng)程為62 m的新水泵，安裝位置與舊水泵對應(yīng)。配用電機(jī)型號為Y系列2 極，功率為45 kW。廢棄原有水泵的控制系統(tǒng)，對10 臺新水泵實(shí)施集中控制。對其中7 臺水泵實(shí)施工頻控制；對剩余的3 臺水泵實(shí)施“一拖三”的變頻控制，實(shí)現(xiàn)水壓的自動控制調(diào)節(jié)。正常情況下，要求以工頻控制的水泵運(yùn)行4 臺，備用3臺；如果廠區(qū)用水量有大幅度的變化，可多開或少開工頻控制的水泵，但不管那種情況，都同時(shí)投運(yùn)已實(shí)施“一拖三”的變頻控制水泵系統(tǒng)，并盡可能使3臺變頻控制的水泵保持在一工頻運(yùn)行、一變頻運(yùn)行、一備用的狀態(tài)，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)管網(wǎng)的水壓，實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的。
本文針對改造方案中提出的“一拖三”的變頻控制方案，從電氣設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行了較為全面的論證，說明了該方案的可行性。
3 恒壓供水系統(tǒng)工作原理
恒壓供水控制系統(tǒng)將主要由PLC、PID、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成。為了維持供水管網(wǎng)的壓力不變，必須在系統(tǒng)的管道上安裝壓力變送器作為反饋組件來為控制系統(tǒng)提供反饋信號。由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，不宜直接采用PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而應(yīng)采用PLC 參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。變頻器選擇FRN45P11S-4CX 或FRN55P11S-4CX，可編程控制器選擇日本松下FP1-C40 型。
控制核心單元PLC根據(jù)手動設(shè)定壓力信號與現(xiàn)場壓力傳感器的反饋信號，得到壓力偏差和壓力偏差的變化率，經(jīng)過PID 運(yùn)算后，PLC 將0~5V的模擬信號輸出到變頻器，用以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及進(jìn)行電機(jī)的軟啟動；PLC 通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值，驅(qū)動切換繼電器組，以此來協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機(jī)臺數(shù)，在大范圍上控制供水的流量，同時(shí)完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。PID 調(diào)節(jié)器控制變頻器對變頻泵進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，在小范圍上控制供水的流量。這樣，從投入電機(jī)臺數(shù)和控制電機(jī)中某一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速而達(dá)到恒壓供水的目的。
4 電氣設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序包括啟動子程序和運(yùn)行子程序，分別如圖1，圖2所示。
4.2 主電路設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主電路如圖3 所示。當(dāng)變頻泵達(dá)到水泵額定轉(zhuǎn)速后，如水壓在所設(shè)定的判斷時(shí)間內(nèi)還不能滿足恒壓值時(shí)，系統(tǒng)自動將當(dāng)前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài)，并指定下一臺泵為變頻泵；同樣的道理，當(dāng)水壓在所設(shè)定的時(shí)間內(nèi)保持恒定，且變頻器的輸出頻率低于30 Hz時(shí)，則退出一臺工頻運(yùn)行的給水泵。

4.3 控制電路設(shè)計(jì)
控制電路包括繼電器控制電路及PLC 控制電路，PLC 控制電路原理如圖4所示。
圖中SA7 為手動/自動控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA8 為自動起/停控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，P1、P2 為管網(wǎng)壓力信號（PID輸出信號），SA1為1#水泵手動起動開關(guān)，SA2為1# 水泵手動停止開關(guān)，SA3 為2# 水泵手動起動開關(guān)，SA4 為2# 水泵手動停止開關(guān)，SA5 為3# 水泵手動起動開關(guān)，SA6為3#水泵手動停止開關(guān)，KA0耀KA6為中間繼電器，分別控制KM0耀KM6工作。
4.4 系統(tǒng)工作過程
可編程控制器在工作過程中的輸入、輸出信號的符號及功能如表1 所列。
4.4.1 系統(tǒng)的啟動
加上啟動信號（X4）后，此信號被保持，當(dāng)條件滿足（即X2 亮）時(shí)，開始啟動程序，由PLC控制1#電機(jī)變頻運(yùn)行（Y1、Y0、Y7 亮），同時(shí)定時(shí)器T0 開始計(jì)時(shí)（10 s），若計(jì)時(shí)完畢X2 仍亮，則關(guān)閉Y1、Y0（Y7 仍亮），T1 延時(shí)1 s，延時(shí)是為了:一是使開關(guān)充分熄弧，防止電網(wǎng)倒送電給變頻器，燒毀變頻器；二是讓變頻器減速為0，以重新啟動另一臺電機(jī)。延時(shí)完畢，1#電機(jī)投入工頻運(yùn)行，2#電機(jī)投入變頻運(yùn)行，此時(shí)Y2、Y3、Y0、Y7亮，同時(shí)定時(shí)器T2開始計(jì)時(shí)(10 s)，若計(jì)時(shí)完畢X2 仍未滅，則關(guān)閉Y3、Y0（Y2、Y7仍亮），T3 延時(shí)1 s，延時(shí)完畢，將2#機(jī)投入工頻運(yùn)行，3# 電機(jī)投入變頻運(yùn)行（此時(shí)Y2、Y4、Y5、Y0、Y7 亮），再次等待Y7 滅掉后，則整個(gè)啟動程序執(zhí)行完畢，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行調(diào)節(jié)程序，此后啟動程序不再發(fā)生作用，直到下一次重新啟動。在啟動過程中，無論幾臺電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，X2 一旦滅掉，則應(yīng)視為啟動結(jié)束（Y7 滅掉），轉(zhuǎn)入相應(yīng)程序。綜合整個(gè)啟動過程，要完成3 臺電機(jī)的啟動最多需要22 s。

4.4.2 模擬調(diào)節(jié)
運(yùn)行過程中，若模擬調(diào)節(jié)期間上、下限值均未達(dá)到（即X1、X2 滅），則變頻器處于模擬調(diào)節(jié)狀態(tài)（此時(shí)相應(yīng)電機(jī)運(yùn)行信號和Y0 亮）。
若達(dá)到模擬調(diào)節(jié)上限值（X1 亮），則定時(shí)器T4馬上開始定時(shí)（3 s），定時(shí)過程中監(jiān)控X1，若X1又滅，則關(guān)閉定時(shí)器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié)；若T4 定時(shí)完畢，X1 仍亮，則啟動輸出低速（Y8 亮），進(jìn)行多段速調(diào)節(jié)，同時(shí)定時(shí)器T5 開始定時(shí)（3 s）。定時(shí)完畢，若X1仍亮，則關(guān)閉此多段速，啟動輸出更低速（Y9），同時(shí)定時(shí)器T6 定時(shí)（如10 s），定時(shí)完畢，若X1仍亮，則關(guān)掉Y9，此后X0 很快會通，轉(zhuǎn)入切換動作程序。在此兩級多段速調(diào)節(jié)過程中，無論何時(shí)，若X0 亮，則會關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)行切換動作，即轉(zhuǎn)入切換程序，同樣，若無論何時(shí)，X1 滅掉，則關(guān)閉運(yùn)行多段速和定時(shí)器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。
若達(dá)到模擬調(diào)節(jié)下限值（X2 亮），則定時(shí)器T7馬上開始定時(shí)（3 s），定時(shí)過程中監(jiān)控X2，若X2又滅，則關(guān)閉定時(shí)器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié)，若T7 定時(shí)完畢，X2仍亮，則啟動輸出高速（Y9），進(jìn)行多段速調(diào)節(jié)，同時(shí)定時(shí)器T8 開始定時(shí)（3 s），定時(shí)完畢。若X2仍亮，則關(guān)閉此多段速，啟動輸出更高速（Y8），同時(shí)定時(shí)器T9 定時(shí)（如10 s），定時(shí)完畢。若X2仍亮，則關(guān)掉Y9，此后X3 很快會通，轉(zhuǎn)入加電機(jī)動作程序。在此兩級多段速調(diào)節(jié)過程中，無論何時(shí)，若X3 亮，則會關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)行加電機(jī)動作，即轉(zhuǎn)入加電機(jī)程序。同樣，若無論何時(shí)X2 滅掉，則關(guān)閉運(yùn)行多段速和定時(shí)器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。
4.4.3 電機(jī)切換
電機(jī)切換程序分為電機(jī)切除程序和加電機(jī)程序兩部分。電機(jī)切除程序動作的條件是：啟動結(jié)束后無論何時(shí)X0 亮，一旦條件滿足，即由PLC 根據(jù)電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來決定切換相應(yīng)電機(jī)，切換時(shí)只能切換工頻運(yùn)行電機(jī)。
若工作狀態(tài)是一臺變頻一臺工頻，則立即切除工頻電機(jī)，然后計(jì)數(shù)值減1，即完成此過程，再由調(diào)節(jié)程序運(yùn)行，調(diào)節(jié)至滿足要求為止。
若3 臺電機(jī)同時(shí)工作，則應(yīng)由PLC來決定切除相應(yīng)的工頻運(yùn)行電機(jī)。切除依據(jù)是3臺電機(jī)對應(yīng)計(jì)數(shù)器的大小，誰大切誰，切除掉一臺后，要由定時(shí)器定時(shí)（如5 s）等待，以便變頻器調(diào)節(jié)一段時(shí)間，防止連續(xù)切除動作。這主要是考慮到本系統(tǒng)的非線性和大小慣性因素而采取的措施。
加電機(jī)程序，其動作程序是：啟動結(jié)束后無論何時(shí)X2亮，一旦條件滿足（X3亮），立即關(guān)掉變頻運(yùn)行電機(jī)和變頻器，延時(shí)一段時(shí)間后（原因同上），將原變頻運(yùn)行電機(jī)投入工頻運(yùn)行，同時(shí)打開變頻器和將要啟動電機(jī)的變頻開關(guān)，完成加電機(jī)過程。
同樣，若原有2 臺電機(jī)工頻工作，則X3 一亮，立即開始加另一臺電機(jī)（無延時(shí)），加電機(jī)依據(jù)是判斷計(jì)數(shù)值，誰小加誰。但加電機(jī)完成以后，定時(shí)器要開始定時(shí)（如5 s）等待，讓變頻器調(diào)節(jié)一段時(shí)間，防止連續(xù)加電機(jī)動作。
5 系統(tǒng)主要性能與特點(diǎn)
1）由于供水管網(wǎng)系統(tǒng)較大，致使管網(wǎng)末端水壓嚴(yán)重滯后出口壓力，所以系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是管網(wǎng)末端水壓變化較大，不利于實(shí)現(xiàn)恒壓精確控制。
2）變頻器對電機(jī)進(jìn)行軟啟動，減少了設(shè)備損耗，延長了電機(jī)壽命。
3）具有自動、手動及異地操作功能。
4）智能化控制，可任意修改參數(shù)指令(如壓力設(shè)定值、控制順序、控制電機(jī)數(shù)量、壓力上下限、PID值、加減速時(shí)間等)。
5）具有完善的電氣安全保護(hù)措施，對過流、過壓、欠壓、過載、斷電等故障均能自行診斷并報(bào)警。
6 結(jié)語
水泵變頻改造前，一、二期平均每天各運(yùn)行2臺水泵，年耗電150 萬kW·h，改造實(shí)施后，年耗電85 萬kW·h，每年僅節(jié)約電費(fèi)達(dá)26 萬元，所以此次設(shè)備投入費(fèi)用在短期內(nèi)可回收成本。

作者簡介：

    李永剛，男，2005 年中南工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，工程師。

參考文獻(xiàn)：

    [1] 張燕賓. 變頻器應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.