变频调速技术在校园供水系统的应用

许燕妮

摘 要：变频调速技术具有节能、改善工艺流程、提高产品质量和便于自动控制等众多优势，被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速技术在供水系统节能方面应用广泛，但是如何根据实际情况综合分析，设计出适合具体环境的控制系统，使之取得更好的应用效果，值得深入探究。

关键词：变频调速技术;供水系统;校园

中图分类号：TM921.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）17-0091-03

Application Research of Frequency Conversion Speed Regulation Technology in Campus Water Supply System

XU Yanni

（Guangxi Electromechanical Engineering School，Nanning Guangxi 530001）

Abstract： Frequency conversion speed regulation technology has many advantages such as energy saving， improvement of process flow， improvement of product quality and easy automatic control， which is recognized as the most promising speed regulation method at home and abroad. Frequency conversion speed regulation technology is widely used in energy saving of water supply system， but how to design a control system suitable for specific environment according to the actual situation and make it achieve better application effect is worthy of further investigation.

Keywords： frequency conversion technology;water supply system;campus

校园用水的特点是时间集中，所以学校供水系统运行有峰谷时间。广西机电工程学校每天06：00—07：30、17：00—19：30、21：30—23：00是用水高峰期，每到这个时候，用水量大，四楼以上的水压往往不够，严重影响学生的生活质量，而学生上课期间用水量很小，管压力几乎为零。如果采用交流电动机恒速传动的方案运行，依靠利用阀门调节的泵类设备，使用效率较低，能源浪费严重[1]。那么，怎样设计一个供水系统，使之能够根据用水的峰谷期自动调整系统运行方案，是值得探究的问题。

根据流体力学的基本定律[2-3]，水泵的转速n与扬程H、流量Q及轴功率P之间的关系如下：

由此可见，水泵的流量与其转速成正比，扬程与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当水泵转速降低后，其轴功率所需的电功率亦可相应降低。由于轴功率（耗电）与转速的三次方成正比，假如n2/n1降低1/2，则P2/P1=1/8。也就是说，通过调速方式降低转速，可大大降低轴功率，可以达到很好的节电效果。变频调速技术是目前国内外公认为最有发展前途的调速方式，如何应用变频高速技术改善供水系统的运行呢？

1 PLC变频恒压供水控制系统原理

变频恒压供水系统由压力传感器、PID调节器、变频器、水泵组、可编程控制器组成，如图1所示。广西机电工程学校供水系统有三台水泵电动机，可以运用变频器对三台水泵电动机进行变频调速。人们运用压力传感器检测当前总管压力，送入PID调节器与设定值比较后进行PID运算，运算结果送入变频器，控制变频器的输出电压频率，从而改变水泵转速和供水量，最终保持管网压力在设定近似值，达到节能效果。系统泵前水压为设定参数，当泵前水压大于设定值时，利用直通电磁阀，直接给用户供水;当泵前压力小于设定值时，直通电磁阀关闭，系统启动水泵，利用变频器来改变水泵轉速，调节水泵的流量和压力。

2 系统的硬件组成

系统的组件主要有变频器、其可编程控制器（PLC）和低压控制电器。选用VVVF ECO功率7.5 kW变频器调速器，采用德国西门子的S7-200系列 CPU224可编程控制器。

系统功能如下：系统通过转换开关SA，可实现自动、手动及待机状态;三台水泵轮换成循环软起动，水泵均衡工作，并能根据管网压力自动调整水泵转速及工作台数;可根据实际需要，设定开、关机的时间;储水池缺水时，自动停机保护;系统设有水泵运行状态指示。

2.1 系统的主电路设计

PLC控制的变频恒压供水主电路如图2所示。图中，各符号含义如下。

QS表示电源总开关;QF1、QF2、QF3、QF4分别为变频器和三台电动机的自动空气开关，控制变频器和三台电动机的电源;M1、M2、M3表示三台15 kW电动机，分别带动三台水泵#1、#2、#3。

KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 是六个交流接触器，其中，KM1、KM3、KM5控制M1、M2、M3三台水泵的工频运行，KM2、KM4、KM6控制M1、M2、M3三台水泵的变频运行;FR1、FR2、FR3是三个热继电器，分别作为M1、M2、M3三台电动机的过载保护用;VVVF ECO为变频调速器;PAC为远传压力表。

2.2 系统的控制电路设计

图3系统控制电路图中，SA为手动/自动切换开关。手动状态是在应急和检修时临时使用的，SA在手动状态按下SB1～SB6可以控制三泵的起停。SA自动状态下，系统根据PLC的程序运行，自行控制三台水泵的起停。HL1～HL10为各种运行指示灯，可以显示三台水泵的运行姿态。FR1、FR2、FR3为三台泵的熱继电器的常闭触点，可以对电机实现过载保护。

2.3 水泵的投切方式分析

2.3.1 开始时1号泵启动。1号泵转速从0开始随频率增加而上升，当变频器频率为50 Hz，水压达到上限值时，1号泵延时一段时间切换至工频运行，同时变频器频率由50 Hz滑停至0 Hz，2号泵开始变频启动，如水压仍不能满足要求，则3号泵启动。

2.3.2 开始时1号泵备用。若开始时1号泵备用，则直接启动2号变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50 Hz，此时水压还在下限值，延时一段时间后，2号泵切换至工频运行，同时变频器频率由50 Hz滑停至0 Hz，3号泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动1号泵。3台泵（假设为1号、2号和3号）同时运行时，若总管道的出水压力大于设定压力，变频器会下降，系统开始计时，如果一直维持在设定的减泵下限频率以下，15 s内，系统会以先投入先切除为原则自动减泵。

3 系统的软件组成

系统采用的是德国西门子公司生产的S7-200系列、型号为CPU224的PLC，如图4所示。

3.1 CPU224 PLC规格参数

CPU224 PLC的规格参数如表1所示。

3.2 系统的PLC接线图

图5为系统的PLC接线图，有五路输入信号：R01、R02两路模拟量输入为变频调速器的两个可编程继电器的输出，P1、P2、P3分别为水池高、中、低的水位信号。当水池水位达到高水位时，进水电磁阀关闭;当水位达到中水位时，进水阀打开;当水位达低水位时，水泵停止工作。有9路输出信号：Q0.0～Q0.5分别控制KM1～KM6接触器的工作，Q0.6控制进水电磁阀的开关，Q0.7控制缺水信号。DI1、DI2分别控制变频器的运行和停止。

3.3 西门子CPU224 PLC编程软件

CPU224 PLC采用西门子公司的STEP7 MicroWIN SP6 V4.0编程软件，此软件具有编程方便、画面布局清晰、联机调试功能强大等优点。

4 系统的运用价值

本系统操投入运行以来，学校供水系统压力稳定，调整方便，供水质量显著提高。用水高峰期，住高楼层的学生用水问题得到很好的解决，用水低谷期，节能降耗效果较好，据运行数据测算，吨水单耗省电达20%。因此，变频调速技术非常具有推广应用价值。

参考文献：

[1]周万珍，高鸿宾.PLC分析与设计应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]原魁，刘伟强.变频器基础及应用[M].北京：冶金工业出版社，2005.

[3]三菱电机株式会社.变频调速器使用手册[M].北京：兵器工业出版社，1992.