用PLC、變頻器對學校供水系統(tǒng)的節(jié)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(jié)約用水關(guān)系到千家萬戶的正常生活，水資源的浪費影響到企事業(yè)單位的正常運行，為此我們要珍惜每一滴水，節(jié)約用水，人人有責。大連電子學校的校園規(guī)模很大，分為辦公區(qū)、教學區(qū)和學生生活區(qū)，各個部分面積都很大，而且供水、供電設(shè)施都已經(jīng)有了良好的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(shù)應(yīng)用在供水控制系統(tǒng)中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)供水系統(tǒng)自動監(jiān)控功能;而且能夠根據(jù)實際需要靈活控制施水時間，達到節(jié)約水電、降低成本、提高供水質(zhì)量的目的。

二、系統(tǒng)技術(shù)要求

(一)供水要求。針對學校的辦公區(qū)、教學區(qū)和學生生活區(qū)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(yīng)著電子學校的三個不同區(qū)域。三種供水方式和供水時間可根據(jù)實際需要靈活設(shè)定，供水系統(tǒng)要求采用自動控制，按需要控制各小區(qū)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(nèi)。達到既節(jié)省人力和節(jié)水節(jié)電，又使供水時間控制準確，供水質(zhì)量提高的目的。

(二)控制要求。一是手動和自動控制功能?？紤]到系統(tǒng)的可靠性、靈活性和經(jīng)濟性，要求系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)會根據(jù)用水時間，教學區(qū)和學生生活區(qū)可自動實現(xiàn)停止供水，而辦公區(qū)全天供水，不受控制。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

(一)系統(tǒng)硬件連接總圖。由圖1 可知，系統(tǒng)硬件連接總圖系統(tǒng)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(tǒng)控制程序流程圖。系統(tǒng)控制程序流程圖如圖2所示。

四、系統(tǒng)控制過程

本系統(tǒng)是對開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)I/O 點數(shù)、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(shù)實現(xiàn)供水系統(tǒng)自動控制功能。系統(tǒng)采用時間控制器定時控制電源的斷合和不同區(qū)域供水的時間。用時間控制器定時輸出的開關(guān)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(guān)信號2～7，作為可編程控制器的輸入控制信號(X2～X7)。根據(jù)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(qū)、教學區(qū)和學生生活區(qū)供水的啟停;每組電磁閥的工作狀態(tài)由信號燈(HL4～HL9)顯示，實現(xiàn)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(gòu)信號(X10)通過可編程控制器自動實現(xiàn)停止供水，達到自動控制供水的目的。

圖1 系統(tǒng)硬件連接總圖

圖2 系統(tǒng)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(guān)信號，通過接觸器KM 控制電源的分斷和閉合。非系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)的啟停。

(三)開關(guān)(X0、X1)的作用。開關(guān)(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(xiàn)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(diào)節(jié)功能。利用變頻器內(nèi)置的PID 調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速，從而達到自動控制管網(wǎng)水壓和節(jié)約電能的目的。供水網(wǎng)受水壓傳感器監(jiān)控，當電磁閥不動作而使供水堵塞時，水壓傳感器發(fā)出開關(guān)信號(X11)后，經(jīng)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(xiàn)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(fā)生故障時，A、C 兩端輸出異常開關(guān)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(nèi)置的電子過電流保護實現(xiàn)電動機的過載保護功能。

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

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

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

五、結(jié)語

經(jīng)過一段時間的運行，學校供水系統(tǒng)與同期相比，每月節(jié)水節(jié)電均在20%以上，工人維護費用也減少，自來水滿地流的現(xiàn)象不再有，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)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(xiàn)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(gòu)成的控制系統(tǒng)設(shè)計簡單、編程方便、系統(tǒng)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(jié)省了人工費用。特別是當不同區(qū)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(tǒng)設(shè)計可以充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益，通過自動控制技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低供水成本，提高供水質(zhì)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(yīng)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(yè)出版社，2005

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