用PLC、變頻器對學校供水系統的節能改造

□董廷山

一、引言

大連是一個淡水資源嚴重缺乏的城市，節約用水關系到千家萬戶的正常生活，水資源的浪費影響到企事業單位的正常運行，為此我們要珍惜每一滴水，節約用水，人人有責。大連電子學校的校園規模很大，分為辦公區、教學區和學生生活區，各個部分面積都很大，而且供水、供電設施都已經有了良好的基礎。傳統上主要依靠自來水管供水、二次加壓供水，方式落后，且易跑水、漏水，不易發現與控制，水資源浪費較多。針對上述存在的問題，把可編程控制器和變頻器技術應用在供水控制系統中，不僅能夠實現供水系統自動監控功能;而且能夠根據實際需要靈活控制施水時間，達到節約水電、降低成本、提高供水質量的目的。

二、系統技術要求

(一)供水要求。針對學校的辦公區、教學區和學生生活區供水對象不同，一般有全天供水、白天供水、晚間供水三種方式，這三種方式恰好分別對應著電子學校的三個不同區域。三種供水方式和供水時間可根據實際需要靈活設定，供水系統要求采用自動控制，按需要控制各小區的供水電磁閥。采用無塔上水器將壓力控制在1．0～2．0MPa 范圍內。達到既節省人力和節水節電，又使供水時間控制準確，供水質量提高的目的。

(二)控制要求。一是手動和自動控制功能。考慮到系統的可靠性、靈活性和經濟性，要求系統有手動和自動兩種控制功能。二是其它要求。遇到休息日，要求自動監控系統會根據用水時間，教學區和學生生活區可自動實現停止供水，而辦公區全天供水，不受控制。

三、系統硬件設計方案

(一)系統硬件連接總圖。由圖1 可知，系統硬件連接總圖系統主要由時間控制器、FX2N—32MR 型可編程控制器、FR -E540 變頻器、壓力傳感器、電磁閥、水泵等組成。

(二)系統控制程序流程圖。系統控制程序流程圖如圖2所示。

四、系統控制過程

本系統是對開關量控制的應用系統，根據I/O 點數、類型，選用核心部件為日本三菱公司的FX2N 系列中FX2N—32MR型可編程控制器。

(一)用可編程控制器技術實現供水系統自動控制功能。系統采用時間控制器定時控制電源的斷合和不同區域供水的時間。用時間控制器定時輸出的開關信號1，通過接觸器KM控制電源的分斷和閉合。用時間控制器定時輸出的開關信號2～7，作為可編程控制器的輸入控制信號(X2～X7)。根據輸入信號，由可編程控制器的輸出(Yl～Y6)，通過電磁閥(YV1～YV6)控制每組辦公區、教學區和學生生活區供水的啟停;每組電磁閥的工作狀態由信號燈(HL4～HL9)顯示，實現電磁閥控制電路通斷的燈光報警功能。由意外事件感測機構信號(X10)通過可編程控制器自動實現停止供水，達到自動控制供水的目的。

圖1 系統硬件連接總圖

圖2 系統控制程序流程圖

(二)時間控制器的作用。由時間控制器定時輸出的開關信號，通過接觸器KM 控制電源的分斷和閉合。非系統工作時間里，時間控制器定時自動斷開可編程控制器和變頻器的電源。這樣既減少了耗電又延長了設備的使用壽命。時間控制器在斷電時正常計時，保證了供水時間的準確控制。工作人員通過操作時間控制器，即可控制整個系統的啟停。

(三)開關(X0、X1)的作用。開關(X0、X1)為可編程控制器自動運行的停止和啟動控制信號。在自動運行過程中，按下停止自動運行信號SB7(X0)和啟動自動運行信號SB8(X1)，可實現自動運行過程的停止和啟動。

(四)輸出端(Y0)的控制過程。輸出端(Y0)通過中間繼電器控制變頻器的啟停，再由變頻器控制水泵的啟停和運行。

(五)變頻器調節功能。利用變頻器內置的PID 調節功能，通過水壓傳感器的模擬輸出信號(變頻器4．5 端)控制變頻器的輸出頻率;再由變頻器的輸出頻率控制水泵的轉速，從而達到自動控制管網水壓和節約電能的目的。供水網受水壓傳感器監控，當電磁閥不動作而使供水堵塞時，水壓傳感器發出開關信號(X11)后，經延時3min 后確認;可編程控制器立即停止變頻器運行，達到停止水泵工作的目的。利用電磁閥的常開觸頭，實現電磁閥控制電路通斷的燈光報警功能。水壓傳感器的工作直流24V 電源由可編程控制器供給。

(六)故障處理過程。發生故障時，A、C 兩端輸出異常開關閉和信號(X12)，可編程控制器立即停止變頻器運行，停止所有電磁閥工作。同時輸出(Y7)警鈴報警，由按鈕SB9(X13)消除警鈴。因為只有一臺電動機，所以利用變頻器內置的電子過電流保護實現電動機的過載保護功能。

(七)轉換開關SA 的功能。利用轉換開關SA 實現自動控制和手動控制的轉換，并有信號燈(HL1～HL2)指示。手動控制時，通過按鈕SB0～SB6 實現手動控制水泵的運行和各電磁閥的開關，也有燈(HL3～HL9)指示。

(八)變頻器的選型。供水系統水泵額定功率為7．5kw，額定電壓為380V，額定頻率為50Hz。根據電動機的功率選擇日本三菱公司FR-E540 -7．5kw 變頻器。

(九)系統軟件設計方案。軟件設計可以采用經驗設計法、邏輯設計法、順序功能圖法等，由于順序功能圖程序設計方法是按照工藝預先規定的順序，在各輸入信號的作用下，根據內部狀態和時間的順序，使各個執行機構自動而有序地進行工作，而且順序功能圖法可以向設計者提供有規律的控制問題的描述方法，所以本控制系統的軟件設計采用順序功能圖法，同時，為方便起見，本控制系統的軟件設計采用模塊化編程，按各區功能編制不同的模塊進行設計，分別為主程序、辦公區、教學區和學生生活區和報警區模塊。

五、結語

經過一段時間的運行，學校供水系統與同期相比，每月節水節電均在20%以上，工人維護費用也減少，自來水滿地流的現象不再有，產生了顯著的經濟效益。例如人工上，以前由于種種原因維修工人至少需要3 名，按照現行的勞動法，學校至少支付每名工人每月1，000～1，200 元工資，人工費共計每月3，000～3，600 元，由PLC 構成的控制系統設計簡單、編程方便、系統抗干擾能力強，一次編程可用一年或更長時間，無須人工過多干預，節省了人工費用。特別是當不同區域的供水方式需要改變時只需要更改程序達到要求。此控制系統設計可以充分發揮現有的節水設備作用，優化調度，提高效益，通過自動控制技術的應用，更加節水節能，降低供水成本，提高供水質量，使學校供水更加科學、方便，提高管理水平。

［1］鐘肇新，范建東．可編程控制器原理及應用［M］．廣州:華南理工大學出版社，2004

［2］胡學林．可編程控制器教程［M］．北京:電子工業出版社，2005

［3］孫振強．可編程控制器原理及應用教程［M］．北京:清華大學出版社，2005