[關(guān)鍵詞]

　　污水處理廠的設(shè)備是全天候運轉(zhuǎn)的，而且曝氣機和潛水泵是污水處理的核心設(shè)備，需要用變頻器對曝氣機的鼓風(fēng)機（羅茨風(fēng)機）和潛水泵進(jìn)行調(diào)速。

　　1 、變頻器在鼓風(fēng)機（羅茨風(fēng)機）上的應(yīng)用

　　鼓風(fēng)機將壓縮空氣通過管道送入曝氣池，讓空氣中的氧溶解在污水中供給活性污泥中的微生物。鼓風(fēng)機在工頻狀態(tài)下起動時，電流沖擊較大，容易引起電網(wǎng)電壓波動，而鼓風(fēng)機（羅茨）風(fēng)壓一定，風(fēng)量只能靠工作臺數(shù)及出氣閥來調(diào)節(jié)，實際生產(chǎn)運行中往往是通過調(diào)節(jié)出氣閥門來控制，即增加管道阻力。因而許多能量多浪費在閥門上。隨著變頻調(diào)速器的廣泛應(yīng)用，利用變頻器的調(diào)速范圍寬，機械特性硬等特點，在羅茨風(fēng)機上應(yīng)用了 TD2000 系列變頻器。由于變頻器的軟啟動大大的減小了電機起動時對電網(wǎng)的沖擊，而且在正常運行的時候，將出氣閥門開到******，根據(jù)工藝和參數(shù)的要求，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)（通過控制系統(tǒng)的電位器）電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道的風(fēng)量，從而來調(diào)節(jié)污水中的氧氣含量。而且可以根據(jù)溶解氧傳感器反饋的信號（ 4~20MA ）很方便的實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。免去了許多繁瑣的人工操作，并且具有明顯的節(jié)電效果，以下是風(fēng)機的節(jié)電率統(tǒng)計。

　　用三臺變頻器控制三臺風(fēng)機，其中兩用一備，電機的功率 P=55KW ，設(shè)計風(fēng)量為 Q ?？蛰d損耗為 10% ，轉(zhuǎn)速 1250 轉(zhuǎn) / 分。若風(fēng)機正常在 970 轉(zhuǎn) / 分以下連續(xù)可調(diào)，污水處理每天所需的供風(fēng)量為 1.5Q 。

　　（1）一臺工頻運行，一臺變頻運行；則全速 P0= （ 55-55*10% ） =49.5KW P1=55KW
P2=5.5+49.5* （ 50% ） 3=11.7KW 總消耗的功率為 67KW

　　（2）兩臺變頻運行時每臺的平均供風(fēng)量為 75%Q P1+P2=5.5+ （ 75% ） 3*49.5=26.4KW 總消耗的功率為 52.8KW

　　（3）三臺變頻運行時，每臺的平均供風(fēng)量為 50%Q P1=P2=P3=[5.5+(50%)]3*49.5=11.7KW 總消耗的功率為 P1+P2+P3=35.4KW

可見三臺風(fēng)機全投入變頻運行時************。假定每月工作 30 天，每天工作 24 小時，按每度 0.7 元計，則方案三可以比其他兩個方案多節(jié)省電纜 8000 元左右。

　　2 、變頻器在潛水泵上的應(yīng)用

　　潛水泵起動時的電流沖擊及調(diào)節(jié)壓力 / 流量的方式與鼓風(fēng)機相似。潛水泵起動時的急扭和突然停機時的水錘現(xiàn)象往往容易造成管道松動或破裂，嚴(yán)重的可能造成電機的損壞，且電機起動 / 停止時需開啟 / 關(guān)閉閥門來減小水錘的影響，如此操作一方面工作強度大，且難以滿足工藝的需要。在潛水泵安裝變頻調(diào)速器以后，可以根據(jù)工藝的需要，使電機軟啟 / 軟停，從而使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決。而且在流量不大的情況下，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，一方面可以避免水泵長期工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，造成電機過早的老化，而且變頻的軟啟動大大的減小水泵啟動時對機械的沖擊。并且具有明顯的節(jié)電效果。

　　二、系統(tǒng)應(yīng)用效果

　　污水處理廠中的鼓風(fēng)機和潛水泵在使用了 TD2000 系列變頻器以后，不但免去了許多繁瑣的人工操作，不安全隱患因素，并使系統(tǒng)始終處于一種節(jié)能狀態(tài)下運行，延長了設(shè)備的使用壽命，更好的適應(yīng)了生產(chǎn)需要。而且安圣變頻器豐富的內(nèi)部控制功能可以很方便地與其他控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。從半年運行情況來看，效果很好。因此，在污水處理廠或相似的系統(tǒng)中使用變頻器應(yīng)具有很好的推廣價值。

　　2. 煙臺熱電廠熱力總公司 1999 年在供熱管路循環(huán)水泵上使用 160KW 變頻調(diào)速器，采用壓力傳感器檢測管網(wǎng)的壓力，通過 PID 調(diào)節(jié)給出一路模擬信號到變頻器，變頻器給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給循環(huán)水泵電機，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速和輸出功率，這樣形成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)維持管網(wǎng)的壓力恒定，并且可以通過內(nèi)部 變頻軟起 自動依照當(dāng)時所需功率，確定所需啟停泵的數(shù)量。

　　在實際應(yīng)用中檢測，隨著使用時間白天、晚上的不同，供熱量不同，所需的供水的功率也不同，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是通過閥門的調(diào)節(jié)并沒有降低供水的功率，只是將多余的水量通過旁通返回，加入變頻改造后，所有的旁通閥關(guān)閉。系統(tǒng)一方面通過檢測管網(wǎng)的壓力，進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，變頻輸出功率自動啟停所需泵的數(shù)量和轉(zhuǎn)速給出設(shè)定的壓力，從而將多余的能量節(jié)省下來，另一方面，電機和泵的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)所需壓力自動將轉(zhuǎn)速降下來，軸承和其他機械部件磨損大大降低，故障率減少。

　　總之，通過使用惠豐公司的交流變頻器對循環(huán)水泵進(jìn)行改造后，不但操作方便簡單維護(hù)量少，而且有顯著的節(jié)能效果，并且實現(xiàn)高度自動化調(diào)節(jié)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)供熱服務(wù)要求

　　3. 通用變頻器中的專用 DSPs 控制器

　　自 1982 年美國德州儀器公司（ TI ）推出第一個數(shù)字信號處理器 DSPs （ DigitaI Signal Processors ）芯片 TMS32010 以來，隨著超大規(guī)模集成電路 VLSI 技術(shù)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展， DSPs 技術(shù)與產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代， DSPs 芯片不僅在運算速度上有了很大的提高，而且在通用性和靈活性方面了極大地改進(jìn)，性能價格比也大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大。目前 90 ％以上的產(chǎn)品出自四大 DSPs 廠商，即德州儀器公司 TI （ Texas lnstruments ）、朗訊技術(shù)公司 Lucent （ Lucent Technologies ）、模擬設(shè)備公司 AD （ Analog Devies ）和摩托羅拉公司 Motorola 。

    其他的 DSPs 廠商還有 AT ＆ T 、 Fujitsu 、 Harris 、 IDT 、 INMOS 、 NEC 、 OKI 、 SamSung 等 80 余家，他們主要生產(chǎn)用于特殊功能的設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器、 MPEG 譯碼器、硬盤驅(qū)動器等。DSPs 芯片按執(zhí)行速度可分為低執(zhí)行速度產(chǎn)品，一般為 20 ～ 50MIPS ，能維持適量存儲和功耗，提供了較好的性能價格比，適用于儀器儀表和精密控制等；中執(zhí)行速度產(chǎn)品，一般為 100 ～ 150MIPS ，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有較高的處理速度和低的功耗，適用于無線電信設(shè)備和高速解調(diào)器等；高執(zhí)行速度產(chǎn)品，一般為 1000MIPS 以上，處理速度很高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化，適用于圖像技術(shù)和智能通信基站等三個檔次。按其工作的數(shù)據(jù)格式將其分為兩大類定點 DSPs 芯片和浮點 DSPs 芯片。定點 DSPs 品種最多，處理速度為 20 ～ 2400MIPS ，其最主要優(yōu)點是功耗低，價格便宜，體積小，但運算精度不太高，一般是 16 位，片內(nèi) 32 位。浮點 DSPs 處理速度為 40M ～ 1GFMPS ，特點是功耗大，價格高，體積也稍大，但運算精度高，一般是 32 位，片內(nèi)是 40 位。

　　1 、數(shù)字信號處理器 DSPs 芯片的體系結(jié)構(gòu)及其主要特點

　　DSPs 芯片是專為高速數(shù)字信號處理而設(shè)計的，由于采用了不同于普通單片機的體系結(jié)構(gòu)，因而具有一些顯著的特點。 DSPs 處理器和諸如英特爾、奔騰或 Power PC 的通用處理器 (GPPs) 有很大的區(qū)別，這些區(qū)別產(chǎn)生于 DSPs 的結(jié)構(gòu)和指令是專門針對數(shù)字信號處理而設(shè)計和開發(fā)的， DSPs 除了具有高速的運算能力外還采取了一系列措施，包括改變集成電路結(jié)構(gòu)、提高時鐘頻率、支持浮點運算、采用指令列排隊方式以提高運行效率、集成了硬件乘法器使乘法運算也能在一個指令周期內(nèi)完成等等，它具有以下特點。

　　1）哈佛結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的 GPPs 使用馮諾伊曼（ Von—Neumann ）結(jié)構(gòu)由于具有一個存儲空間通過兩條總線，一條地址總線和一條數(shù)據(jù)總線，連接到處理器內(nèi)核，這種單一公用的數(shù)據(jù)和指令總線在高速運算時，往往在傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。 DSPs 芯片內(nèi)部一般采用哈佛（ Harvard ）結(jié)構(gòu)，在哈佛結(jié)構(gòu)中，有兩個存儲空間：程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間，處理器內(nèi)核通過兩套總線與這些存儲空間相連，這種安排使處理器的帶寬加倍。 DSPs 芯片內(nèi)至少有四套總線：程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可允許在一個機器周期內(nèi)對存儲器同時獲取指令字（來自程序存儲器）和操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器），從而提高了執(zhí)行速度。

　　2）硬件乘法累加操作（ MACs ）

　　GPPs 起初并不是為繁重的乘法操作設(shè)計的，把 DSPs 同早期的 CPPs 區(qū)別開來的第一個重大技術(shù)改進(jìn)就是添加了能夠進(jìn)行單周期乘法操作的專門硬件和明確的 MAC 指令。數(shù)字信號處理中最重要的一個基本運算是乘法累加運算，也是最主要和最耗時的運算，因此，單周期的硬件乘法器（ MUL ）是 DSPs 芯片實現(xiàn)快速運算的保證。 DSPs 芯片可以單周期完成乘法累加運算，大大提高了運算速度。而 DSPs 芯片的指令基本上都是單周期指令，因此單周期指令執(zhí)行時間可以作為衡量 DSPs 芯片性能的一個主要指標(biāo)。現(xiàn)代高性能的 DSPs 芯片甚至具有兩個以上的硬件乘法器用以提高運算速度，數(shù)據(jù)寬度也從 16 位增加到 32 位。

　　3）多個并行處理單元

　　DSPs 內(nèi)部一般都集成了多個處理單元，如硬件乘法器（ MUL ）、累加器（ ACC ）、算術(shù)邏輯單元（ ALU ）、輔助算術(shù)單元（ ARAU ）以及 DMA 控制器等。它們都可以并行地在同一個周期內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)，例如輔助算術(shù)單元能為下一次的運算做好準(zhǔn)備，適合于完成連續(xù)的乘加運算。 DSPs 芯片內(nèi)部還包括有其他總線，如 DMA 總線等，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的后臺傳輸而幾乎不影響主 CPU 的性能的有 FFT 的位反轉(zhuǎn)尋址，語音的 A 律， μ 律算法等。

    為了提高并行處理能力，現(xiàn)代 DSPs 芯片通常采用單指令多數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)（ SIMD ）、超長指令字結(jié)構(gòu)（ VLIW ）、超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)、多 DSP 核體系結(jié)構(gòu)和 DSP ／ MCU 混合結(jié)構(gòu)，這些并行處理機制大大提高了 DSPs 芯片的性能。

　　4）執(zhí)行時間的可預(yù)測姓

　　大多數(shù) DSPs 應(yīng)用都具有硬性實時要求，在每種情況下所有處理工作都必須在指定時間內(nèi)完成。這種實時限制要求程序設(shè)計者確定每個樣本究競需要多少時間或者在最壞情況下至少用去多少時間。 DSPs 執(zhí)行程序的進(jìn)程對程序員來說是透明的，因此很容易預(yù)測處理每項工作的執(zhí)行時間。但是，對于高性能 GPPs 來說，由于大量超高速數(shù)據(jù)和程序緩存的使用，動態(tài)分配程序，因此執(zhí)行時間的預(yù)測變得復(fù)雜和困難。

　　5）片上存儲器

　　外部存儲器一般不能適應(yīng)高性能 DSP 核的處理速度，因此在片上設(shè)置較大的程序／數(shù)據(jù)存儲器以減少對外部存儲器中程序／數(shù)據(jù)的訪問次數(shù)，充分發(fā)揮 DSP 核的高性能。目前高性能 DSPs 芯片上的可配置程序／數(shù)據(jù) RAM 高達(dá) 7MB 。采用大的片子存儲器可以減少外部存儲器接口的引腳，甚至省略外部存儲器接口，而且也減小了芯片的封裝體積。

　　6）多種外設(shè)和接口

　　為了加強 DSPs 芯片的通用性， DSP 芯片上增加了許多外設(shè)，可能包括的外設(shè)有多路 DMA 通道、外部主機接口、外部存儲器接口、芯片間高速鏈接口、外部中斷、通信串口、 Iink 口、定時器、可編程鎖相環(huán)、 A ／ D 轉(zhuǎn)換器、 JTAG 接口等。

　　7）特殊尋址模式

　　為了滿足 FFT 積等數(shù)字信號處理的特殊要求， DSP 芯片大多包含專門的硬件地址產(chǎn)生器，它能產(chǎn)生信號處理算法需要的特殊尋址，如循環(huán)尋址和位翻轉(zhuǎn)尋址。循環(huán)尋址對應(yīng)于流水 HR 濾波算法，位翻轉(zhuǎn)尋址對應(yīng)于 FFT 算法，并在軟件上設(shè)置了相應(yīng)的指令。

　　8）零消耗稻環(huán)控制

　　數(shù)字信號處理的一大特點是大部分處理時間花在了較小循環(huán)的少量核心代碼上。大部分 DSPs 芯片具有零消耗循環(huán)控制的專門硬件，可以省去循環(huán)計數(shù)器的測試指令，從而提高了代碼效率，減少了執(zhí)行時間。零消耗循環(huán)是指處理器不用花時間測試循環(huán)計數(shù)器的值就能執(zhí)行一組指令的循環(huán)，硬件完成循環(huán)跳轉(zhuǎn)和循環(huán)計數(shù)器的衰減。有些 DSPs 還通過一條指令的超高速緩存實現(xiàn)高速的單指令循環(huán)。

　　9） JTAG 接口

　　由于 DSPs 芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、工作速度的提高、外部引腳的增多、封裝面積減小而導(dǎo)致的引腳排列密集等原因，傳統(tǒng)的并行仿真方式已不適合于 DSPs 芯片的發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)。 1991 年公布的 JTAG 接口標(biāo)準(zhǔn)滿足了 IC 制造商和用戶的要求， 1993 年 JTAG 接口標(biāo)準(zhǔn)修訂為 5 線接口。芯片 JTAG 接口為 DSPs 芯片的測試和仿真提供了很大的便利。