用PLC、变频器对学校供水系统的节能改造

□董廷山

一、引言

大连是一个淡水资源严重缺乏的城市，节约用水关系到千家万户的正常生活，水资源的浪费影响到企事业单位的正常运行，为此我们要珍惜每一滴水，节约用水，人人有责。大连电子学校的校园规模很大，分为办公区、教学区和学生生活区，各个部分面积都很大，而且供水、供电设施都已经有了良好的基础。传统上主要依靠自来水管供水、二次加压供水，方式落后，且易跑水、漏水，不易发现与控制，水资源浪费较多。针对上述存在的问题，把可编程控制器和变频器技术应用在供水控制系统中，不仅能够实现供水系统自动监控功能;而且能够根据实际需要灵活控制施水时间，达到节约水电、降低成本、提高供水质量的目的。

二、系统技术要求

(一)供水要求。针对学校的办公区、教学区和学生生活区供水对象不同，一般有全天供水、白天供水、晚间供水三种方式，这三种方式恰好分别对应着电子学校的三个不同区域。三种供水方式和供水时间可根据实际需要灵活设定，供水系统要求采用自动控制，按需要控制各小区的供水电磁阀。采用无塔上水器将压力控制在1．0～2．0MPa 范围内。达到既节省人力和节水节电，又使供水时间控制准确，供水质量提高的目的。

(二)控制要求。一是手动和自动控制功能。考虑到系统的可靠性、灵活性和经济性，要求系统有手动和自动两种控制功能。二是其它要求。遇到休息日，要求自动监控系统会根据用水时间，教学区和学生生活区可自动实现停止供水，而办公区全天供水，不受控制。

三、系统硬件设计方案

(一)系统硬件连接总图。由图1 可知，系统硬件连接总图系统主要由时间控制器、FX2N—32MR 型可编程控制器、FR -E540 变频器、压力传感器、电磁阀、水泵等组成。

(二)系统控制程序流程图。系统控制程序流程图如图2所示。

四、系统控制过程

本系统是对开关量控制的应用系统，根据I/O 点数、类型，选用核心部件为日本三菱公司的FX2N 系列中FX2N—32MR型可编程控制器。

(一)用可编程控制器技术实现供水系统自动控制功能。系统采用时间控制器定时控制电源的断合和不同区域供水的时间。用时间控制器定时输出的开关信号1，通过接触器KM控制电源的分断和闭合。用时间控制器定时输出的开关信号2～7，作为可编程控制器的输入控制信号(X2～X7)。根据输入信号，由可编程控制器的输出(Yl～Y6)，通过电磁阀(YV1～YV6)控制每组办公区、教学区和学生生活区供水的启停;每组电磁阀的工作状态由信号灯(HL4～HL9)显示，实现电磁阀控制电路通断的灯光报警功能。由意外事件感测机构信号(X10)通过可编程控制器自动实现停止供水，达到自动控制供水的目的。

图1 系统硬件连接总图

图2 系统控制程序流程图

(二)时间控制器的作用。由时间控制器定时输出的开关信号，通过接触器KM 控制电源的分断和闭合。非系统工作时间里，时间控制器定时自动断开可编程控制器和变频器的电源。这样既减少了耗电又延长了设备的使用寿命。时间控制器在断电时正常计时，保证了供水时间的准确控制。工作人员通过操作时间控制器，即可控制整个系统的启停。

(三)开关(X0、X1)的作用。开关(X0、X1)为可编程控制器自动运行的停止和启动控制信号。在自动运行过程中，按下停止自动运行信号SB7(X0)和启动自动运行信号SB8(X1)，可实现自动运行过程的停止和启动。

(四)输出端(Y0)的控制过程。输出端(Y0)通过中间继电器控制变频器的启停，再由变频器控制水泵的启停和运行。

(五)变频器调节功能。利用变频器内置的PID 调节功能，通过水压传感器的模拟输出信号(变频器4．5 端)控制变频器的输出频率;再由变频器的输出频率控制水泵的转速，从而达到自动控制管网水压和节约电能的目的。供水网受水压传感器监控，当电磁阀不动作而使供水堵塞时，水压传感器发出开关信号(X11)后，经延时3min 后确认;可编程控制器立即停止变频器运行，达到停止水泵工作的目的。利用电磁阀的常开触头，实现电磁阀控制电路通断的灯光报警功能。水压传感器的工作直流24V 电源由可编程控制器供给。

(六)故障处理过程。发生故障时，A、C 两端输出异常开关闭和信号(X12)，可编程控制器立即停止变频器运行，停止所有电磁阀工作。同时输出(Y7)警铃报警，由按钮SB9(X13)消除警铃。因为只有一台电动机，所以利用变频器内置的电子过电流保护实现电动机的过载保护功能。

(七)转换开关SA 的功能。利用转换开关SA 实现自动控制和手动控制的转换，并有信号灯(HL1～HL2)指示。手动控制时，通过按钮SB0～SB6 实现手动控制水泵的运行和各电磁阀的开关，也有灯(HL3～HL9)指示。

(八)变频器的选型。供水系统水泵额定功率为7．5kw，额定电压为380V，额定频率为50Hz。根据电动机的功率选择日本三菱公司FR-E540 -7．5kw 变频器。

(九)系统软件设计方案。软件设计可以采用经验设计法、逻辑设计法、顺序功能图法等，由于顺序功能图程序设计方法是按照工艺预先规定的顺序，在各输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，使各个执行机构自动而有序地进行工作，而且顺序功能图法可以向设计者提供有规律的控制问题的描述方法，所以本控制系统的软件设计采用顺序功能图法，同时，为方便起见，本控制系统的软件设计采用模块化编程，按各区功能编制不同的模块进行设计，分别为主程序、办公区、教学区和学生生活区和报警区模块。

五、结语

经过一段时间的运行，学校供水系统与同期相比，每月节水节电均在20%以上，工人维护费用也减少，自来水满地流的现象不再有，产生了显著的经济效益。例如人工上，以前由于种种原因维修工人至少需要3 名，按照现行的劳动法，学校至少支付每名工人每月1，000～1，200 元工资，人工费共计每月3，000～3，600 元，由PLC 构成的控制系统设计简单、编程方便、系统抗干扰能力强，一次编程可用一年或更长时间，无须人工过多干预，节省了人工费用。特别是当不同区域的供水方式需要改变时只需要更改程序达到要求。此控制系统设计可以充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益，通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低供水成本，提高供水质量，使学校供水更加科学、方便，提高管理水平。

［1］钟肇新，范建东．可编程控制器原理及应用［M］．广州:华南理工大学出版社，2004

［2］胡学林．可编程控制器教程［M］．北京:电子工业出版社，2005

［3］孙振强．可编程控制器原理及应用教程［M］．北京:清华大学出版社，2005