PLC及变频器在供水系统中的节能应用
采用西门子PLC及变频器为主控单元，配合接触器、继电器实现恒压变量供水系统的智能控制。本设计在学校供水系统的改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定，满足学校用水需要，而且具有很好的节能节水效果，极具推广价值。
某学校有住校师生约5000人，位于市郊，距水厂约6km，周边有一栋20层的高层建筑，一所近万人的大学和高中等单位，年用水量约80万t。由于用水高峰较为集中，该学校供水系统极不稳定，高峰期供水上不到第5层楼，无法满足学校师生的用水要求。基于以上情况，该校进行了供水系统的改造。本文在智能化要求的基础上，研究了PLC及变频调速技术在该学校恒压供水系统控制中的应用，提出了供水系统的总体设计方案，并论述了硬件电路的设计和软件的实现方法，通过运行实测，分析了节能节水的效果。
供水系统的总体方案设计
该学校宿舍楼比较集中，学生用水量最大，高峰期有规律。为了保证稳定供水，在学生宿舍区建了150t贮水池，采用4台15kW水泵和变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供水系统，如图1所示。系统通过调节供水量，保证管网压力恒定（误差±0.01 MPa），实现恒压变量控制供水方式，从而达到节能、节水的目的，满足学校用水需要。
1.供水系统的具体要求
1）水泵能自动变频软起动4台水泵自动变频软起动，并根据用水量大小自动调节开泵台数。
2）电控自动状态时，4台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投人，可转换自动或人工手动开、停机。
3）设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具有相序保护防止水泵反转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能。
4）有设备工作、停机、报警指示。
2.总体设计方法
该学校属于中小型用户，考虑恒压系统主要在高峰期投入使用，宜采用一台变频器控制4台水泵的“一控四”切换方案。以西门子S7-200（CPU224）的PLC和6SE6430变频器为控制核心，采用变频率控制的闭环控制系统，通过对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频泵的速度及定量泵的起、停，实现恒压变量的供水方式，从而更好地达到节能、节水的效果。当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频泵使用户管网压力与设定压力值相等。如用户用水量较大，变频器输出频率为50 Hz，变频泵转速达到最高，用户管网压力低于设定压力，控制器将变频泵切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵，由一台工频泵和一台变频泵同时供水。经过变频泵的调节，如管网压力仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为50 Hz的变频泵切换成工频运行，而后继续起动另外一台水泵作变频运行，直至满足用户用水要求。
当用户用水量较少，变频泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变频泵转速，使管网压力始终保持恒定。这样每台水泵的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完全停止各泵工作，由外界管网直接向用户供水。
硬件电路设计
本系统的硬件电路如图2所示，它由4台巧kW离心水泵，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是S7-200（CPU224）和6SE6430。6SE6430是水泵专用变频器，扩展功能强．CPU224集成了14点输入/10点输出，共有24点数字量I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。
1.供水系统主电路
如图3所示，该系统有4台巧kW电动机，分别拖动4台水泵。合上空气开关后，当交流接触器1KM、3KM, 5KM、7KM主触点闭合时，水泵为工频运行；当2KM、4KM、6KM、8KM主触点闭合时，水泵为变频运行。4个热继电器1KR～4KR分别对4台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。
2.供水系统控制电路
如图4所示，Q0.0～Q0.7为PLC输出软继电器触点，其中Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6控制变频运行电路；Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工频运行电路。SAC为转换开关，实现手动、自动控制切换。当SAC切在手动位时，通过1SB2～4SB2按钮分别起动4台水泵工频运行．当SAC在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。1KA为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。
3.PLC及变频器控制模块电路
PLC及变频器控制模块是本系统的核心，它包括时间控制电路、缺水保护电路、断相相序保护电路，如图5所示。KT是时控器的继电器，该时间控制电路可实现6个时段的定时开关机控制和定时换泵功能。
（1）缺水保护电路
当水池缺水或水位不足时，若不及时切断电源就会损坏水泵，甚至发生事故。本系统设置了缺水自动保护电路，如图6所示。利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位，经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。水池水位正常时，控制回路电源接通，系统正常工作。水池缺水或水位不足时，液位继电器1K释放，系统报警、指示灯亮并通过1KA切断系统控制电路及主电路，水泵停止。待排除故障，水位正常后，液位继电器1K吸合，重新起动系统。
（2）断相相序保护电路
水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大，容易烧坏电动机；另外，为了避免电源相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路，如图7所示。采用缺相相序保护继电器KP接在主电路电源进线空气开关之后，三相正常时，KP得电吸合，控制电路中KP的1-2触点吸合，接通PLC控制电路。反之，缺相或反相时，KP的1-2触点断开，会切断PLC控制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。
系统软件设计
本系统稳定运行的关键是PLC程序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。
1.PLC程序设计
（1）输入、输出地址及功能表（I/O表），如表1所示。
（2）程序设计思路
由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统PID参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。
本系统PLC控制程序由主程序和4个子程序组成，如图8所示。
2.变频器主要功能的预置
虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要使供水系统运行性能稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频器操作面板上的相关按键确认。
（1）频率功能的预置
1）最高频率水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即fmax＝fn＝50Hz,
2）上限频率一般说来，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要商于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电动机的负载．二是变频调速系统在50 Hz下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为49Hz或49.5 Hz是适宜的。
3）下限频率在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。所以，下限频率应定为25～30Hz,
4）起动频率水泵在起动时，如果从0Hz开始起动，水泵基本没有压力输出，为减少调节时间，应预置起动频率值为15～20Hz，即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%～40%。
（2）升速、降速时间
由于水泵电动机不需频繁的起、停，对于起、停时间无严格要求。整定变频器的升、降速时间时主要考虑升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满足不了恒压供水要求。因此，升、降速时间的确定，应根据现场的实际情况来决定。
节能、节水效果分析
1．节能原理分析
根据流体力学的原理知道，水泵流量与转速及轴功率的关系用下述关系式表示
式中，Q为流量，H为扬程（水压），P为轴功率，n为转速。当流量减少，水泵转速下降时，其电动机输出功率迅速下降。例如，当流量下降到70％，转速也下降到70%时，其轴功率则下降到额定功率的34.3%：当流量降低到50%，轴功率将下降到额定功率的12.5%,当然还要考虑由于转速降低引起附加控制装置的效率下降等因素，即使这样，其节能潜力也很大。如图9所示两条曲线间的阴影部分表示采用变频器调速的节能效果，从图中可以看出，越是速度变化范围大，其节能效果就越明显。
图9 水泵流量与轴功率关系曲线
曲线Ⅰ—阀门调节形式下的轴功率变化曲线
曲线Ⅱ—变频调速形式下的轴功率变化曲线
2.节能节水实测情况分析
本系统于2005年3月13～26日进行两周时间的实地测试，每天5个用水高峰时段约6h投入运行。第一周转换开关SAC在手动位置，采用阀门调节的方式加压，第二周SAC在自动位置，采用变频调速的方式加压，得出表2的数据。
从表2可以计算：
（1）节电效果
每吨水节电率为（0.3512—0.241）/0.352＝31.5%，学校年供水量80万t按2/3的用水需加压计算，年节电5.9万kWh，按本市电价0.5元frWh计算，年节省电费2.95万元。
（2）节水效果
每周节水为17615—17078＝537 t，每年按40周计（假期不计）节水达2.1万t，按本市水价0.8元/t计算，年节省水费1.68万元。
两项合计年节省4.63万元，节电、节水效果非常可观，一年多即可收回本系统的投资。
结论
本系统于2004年10月在本市某学校安装、调试、运行，通过半年来的使用，得出以下结论：
1）本方案设计合理，技术先进，功能完善，高效节能，产品体积小，性价比高。
2）S7-200（CPU224）PLC和6SE6430变频器性能稳定，通用性和灵活性较强，功能扩展范围较宽，而且价格较低，在本控制电路中便于安装和维护。
3）控制简单，操作方便。系统起动前，只要将入口、出口阀全部打开，运行过程中则不需要操作任何阀门，并且手动和自动调节切换容易。
4）该系统运行6个多月以来，工作稳定，供水压力稳定，经受了全校日常用水和高峰期用水水量变化大的考验，既解决了用水高峰的矛盾，又避免了因供水压力偏高所造成的浪费，满足全校供水要求，节电节水效果明显。适合学校、厂矿、民用高层建筑等用水量变化大，要求具有足够扬程的企业和场所使用，有广阔的应用前景和推广价值。
