智能变频供水控制系统设计及应用
关键词：变频器，可编程序控制器PLC, 计算机，软启动器，供水，水泵
作者：林新春
据美国有关组织调查统计显示：全世界年发电总量的 55 ％被电动机消耗掉， 20 ％与照明有关， 5 ％与计算机、 Internet 有关，其他用途占 20 ％。而我国是发展中国家，每年直接被电动机消耗的电能更是高达年发电量的 63 ％，其中，风机、水泵则消耗掉我国年发电量的 31 ％左右。在这一类应用中，变频供水是一个典型应用，它应用范围广，节能效果也很明显。本人经过多年理论和实践方面的研究，设计了一系列智能化变频供水装置，已应用于很多行业，使用效果非常好，现就这方面的通用化控制系统的设计及应用情况做简要介绍。
一、 概述
智能化变频供水控制系统可以根据实际需要确定供水出口的控制对象，一般采用控制供水出口压力，达到恒压供水的目的。恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水网出口压力值是根据用户需要确定的。传统的恒压供水方式采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、 PID 调节器、计算机、 PLC 等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。变频恒压供水系统主要特点：
1、 节能，可以实现节电20 ％－40 ％。
2、 占地面积小，投入少，效率高。
3、 配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
4、 运行合理，由于是软启动和软停止，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减少，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。
5、 由于变频恒压供水系统是直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。
6、 通过通讯控制，可以实现无人职守，节约了人力和物力。
二、 智能化变频供水控制系统方案设计
1、 控制系统的描述
如图所示控制系统以 PLC 为核心，以变频输出为主，配备备用的软启动器，可以用一台变频器控制两台水泵。当变频器不工作时，完全由软启动器来启停两台水泵。
控制系统有自动和手动两种运行方式。当在自动方式运行时，通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成 4 － 20 mA 的模拟信号，通过变频器内置的 PID 调节器，来改变水泵的转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，水泵转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。
当一台水泵不能满足要求时，也就是变频工作的水泵达到 50Hz 时，还达不到设定压力，系统经过延时检测将正在变频运行的水泵接到交流电网上成为工频运行，然后用变频器启动第二台水泵，通过变频调速达到设定压力；当两台水泵运行供水量过大时，变频器在一定时间里一直处于低频率运行，系统会自动停止接到电网中工频运行的水泵，变为一台水泵变频运行。
当系统设定到自动运行状态，变频器不工作时，自动投入软启动器。软启动器根据供水要求，自动启动一台水泵，一台水泵不能满足要求时，将第一台启动的水泵接到电网上，再启动第二台水泵；当供水压力高了，只需要一台水泵运行时，自动停止接入电网的水泵。
当系统设定到手动运行状态，可以按启动和停止按钮任意启动或停止各台水泵。
2、 控制程序设计
控制系统的可编程序控制器 PLC 是实现复杂控制的关键设备，它的使用完善和提高了系统的性能，而且安全可靠，便于设计和组态。
系统是一台变频器带多台水泵， PLC 主要是根据系统要求实现水泵的切换。为了防止变频器和软启动器被反送电烧毁，在程序设计中采用大量互锁和延时动作保护程序。如：当第一台变频水泵脱开变频器，在互锁保护的前提下，经过延时 1 秒钟将其接入交流电网，然后再变频启动第二台水泵。
程序中设计成多个功能块，便于根据使用现场的条件组态；与外部控制线有机结合，形成自动和手动的闭锁；不但在软件中有互锁保护，还在外部线路的各接触器之间互锁，实现硬件和软件的双重互锁保护，用户随意使用都不会发生误操作。
3、 系统功能
（1） 完全达到可无人职守的工作状态。可以根据供水压力的要求自动启动或停止水泵，可以设定时间轮换使用变频工作的水泵（设定时间范围为 0 － 9998 小时之间任何数）。
（2） 实用性强。可以根据用户要求调整运行程序，根据使用现场的条件配备检测仪表等硬件。
（3） 保护功能齐全。除正常必须的保护功能外，为了防止水泵无水空转损坏水泵，设有来水检测装置。当没水时停止水泵运行，并报警；为了防止流量或压力信号丢失造成超压，引起管道破裂，设有保护和报警装置。
（4） 可带多台水泵，而且多系统可联网供水。可根据需要配一台或多台变频器，也可以一台变频器带多台水泵，也可以组建多个智能变频供水系统，系统之间互相联动。
（5） 实现计算机远程检测与通讯。根据用户条件，可将变频器和软启动器等装置的参数、压力信号、流量信号、供电电压、供电电流等信号传送到远程计算机和信号箱上。
三、 智能化变频供水控制系统的主要应用场合
为了较好完成控制系统功能，在实际施工安装中，我们采用了西门子变频器和可编程序控制器 LoGo 、 S7-200 ，以及优质的软启动器、接触器、启停按钮和信号灯，并做防电磁干扰工作。此系统主要应用场合如下：
1、 高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。
2、 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。
3、 中央空调系统。
4、 自来水厂增压系统。
5、 农田灌溉，污水处理，人造喷泉。
6、 各种流体恒压控制系统。
参考文献
1 、《电力电子学与交流传动》 [美]B.K.鲍斯著 朱仁初等译 西安交通大学出版社 1989年3月
2、《电力拖动与控制》 中国机械工业教育协会组编 机械工业出版社 2001年7月
3、西门子产品资料 西门子（中国）有限公司出版