摘要：为提高企业生产质量，降低企业的能耗和运行成本，需对企业供水系统进行技术改造，一方面是要提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍和设备的损坏；另一方面是对成本的核算，力求在不过多增加成本情况下降低能源生产运行成本。为此，我配合装备部自动化工程师李建广采用PLC和变频器对原供水站的供水系统进行恒压供水改造。
关键词：变频恒压供水、PLC、变频器、自动控制系统
1.前言
随着社会的发展和时代的进步，生产设备和生产过程的精度不断提升，对生产保障的要求和标准日趋提高，同时为了响应“降成本”和“节能减排”的要求，我们必须实施技术改造以降低生产投入和生产过程的成本及能耗。我们联鑫钢铁能源环保部供水站，一直以来采用传统的工频两用一备的离心泵供水系统，为全公司分厂供应生产用水，供水压力要求稳定在0.24MPa，每小时供水量约需1200立方，但是在长期生产过程中我们发现存在着不少问题。
首先，该系统受电压、温度、震动等外界因素影响较大，供水压力波动十分明显，供水稳定性较差，难以满足生产系统供水压力需稳定在0.24MPa的要求，影响了生产工艺，降低了生产质量，降低了产品合格率，较大的波动甚至会造成供水障碍和设备的损坏，因此需要加强供水稳定性，提高供水质量。其次，由于离心泵供水系统自动化程度低，需要专人值班监控、专人操作、专人维护，大大提高了生产的人工成本。再次，由于原工频两用一备离心泵供水系统的功率因数较低，能耗比较大，也进一步加大了生产过程的成本。因此需要进行系统升级改造，用基于可编程控制器（PLC）自动控制的变频恒压供水系统代替原来人工操作的工频离心泵系统。
2.改造目的工艺分析和控制要求
2.1技术改造的原因和目的
联鑫钢铁能源环保部供水站的主要工作是将原水提取进入原水池，经过FA过滤器送至工业水池，由工业水池通过生产水供水泵进入管网，向全公司分厂供应生产用水。原有供水动力系统采用传统的三台160KW离心泵软起工频两用一备的方式，1#、3#互为备用运行水泵，2#为转起工频运行水泵，三者均采用通过控制可控硅实现软起动，电机转速固定，所以无法通过调节电机速度来调节水泵供水量、流速和下游水压，而下游生产设备所需理想压力值为0.24Mpa，因此操作人员需要时刻观察管道机械压力表的读数，根据读数变动情况进行相应操作。当压力表读数超过0.24MPa时，需及时打开回流阀门，将部分水量返送回水池以降低下游供水量和供水压力，这种操作方式不仅提高了人工成本、浪费了大量供水、增加了用电成本，从而造成生产成本大幅增加，同时也会因仪表误差、人工读数误差、人工操作误差加剧了供水压力波动。
为此，根据公司生产保障和节能降耗的要求，我与装备部自动化工程师李建广一起，采用了变频调速技术，对原工频运行的供水系统进行变频恒压自动化改造。其基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系: n =60 f(1-s)/p (式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数)，通过变频器实时改变电动机工作电源频率，以控制电机可以在任何转速下运行，从而实现根据下游水压对三台水泵供水量、流速的有效控制和及时调整。通过自动化技术改造，以实现提高生产效率、提升供水稳定性、减少电能损耗、降低人工成本的目的，为企业生产提供更好服务。
2.2工艺分析
变频恒压供水系统技术改造，是将原有的软起工频运行三台离心泵的1#和3#泵组改成变频器控制，组成变频循环运行方式（如图1）。我们采用了低端低价、高性价比的西门子S7-200型PLC作为中央控制单元，利用煤气柜扩能改造时替换下来的西门子M440型185KW变频器作为动力驱动单元，原离心泵机组依然作为动力系统不变，回流阀等其它附属设备保留。系统在供水主管网用户入口前增
加压力变送器对供水压力进行检测，实时自动地将检测的供水压力数值送入PLC与设定值进行比较和PID运算，运算结果通过PLC输出送至西门子M440型185KW变频器控制端，通过变频器调节1#或3#水泵的输入电压和频率，进而改变水泵电机转速来实时调节供水量，供水的控制和调节过程完全自动化完成，基本可以实现无人值守。
图1
这种控制技术有效避免了人工操作和读数带来的误差以及滞后，而且由于PID运算具有连续系统动态品质校正的调节能力，能够有效避免和减少超压力等供水压力波动现象，保持供水管网压力基本稳定在0.24MPa不变，能够大大减少离心泵启动和调速次数，从而大大降低电能损耗。因此能够保证为全公司后续生产系统稳定供水，同时也大幅降低电能损耗和设备损耗。
2.3系统控制要求
（1）对离心水泵的操作要有手动/自动控制功能。
（2）系统具备超限/故障报警功能。
（3）系统具有进一步拓展功能的裕量。
3.变频恒压供水控制系统原理及其硬件
3.1控制系统电气原理图
变频恒压供水自动化系统主电路电气原理如图2所示。三台电机分别为M1、M2、M3，他们分别带动水泵1#、2#、3#，为了抑制电网电流波动对变频器和电机造成冲击，必须采用限流和平波措施，因此我们在空气开关QS1、QS3下端加装了电抗器后接入变频器的U1、V1、W1，同时电抗器能够对系统进行一定的功率因数补偿，提高电能有功功率。1#、3#离心泵为变频控制，二者互为备用；2#为转起工频运行。主电路在正常工作情况下维持两台泵运行、一台备用的工作状态。
图2
3.2变频器系统结构
本系统1#、3#离心泵为变频控制，供电线路与控制电路相同，本文以3#泵为例。变频器采用交-直-交的形式，即先将来自电网的工频交流电整流成直流电，再把直流电通过逆变器转换成频率、电压均可控制的交流电，整流器和逆变器的控制信号均来自PLC控制单元的PID运算结果。如图3所示，变频器系统也由主电路和控制电路两部分组成，其中以整流、滤波和逆变为主构成了主电路，以控制电器为主构成控制电路。
图3
3.3变频器的参数设置
本着节省成本、满足控制要求的原则，此次变频恒压供水自动控制系统的变频技术改造中，我们利用了能源环保部煤气柜加压机扩容时替换下线闲置的西门子M440型185KW的变频器。在变频器投入系统使用前，首先要p0970=1将变频器复位，所有参数回到工厂设定的缺省设置值，以消去变频器中存储的一些参数设定值，之后再连接电机完成安装上电进行设置调试。由于变频器需要设置的参数较多，每个参数有一定选择范围，如果设置不当，变频器不能正常工作，会导致输出的数据误差大或是错误，所以必须对相关基本参数进行正确的设定。通过反复调试，本系统中西门子M440型变频器参数设置如表一所示。
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3.4中央控制单元
PLC是整个变频恒压供水系统的中央控制单元，主要作用是接收输入端压力数据，与系统设定值进行比较并进行PID运算，输出开关量对输出单元实现控制，进一步通过变频器实现恒压控制，同时对系统超限或故障进行实时预警报警。根据本控制系统实际所需端子数，考虑将来系统功能进一步拓展需要，PLC端子数量须具有一定的预留量，因此选用西门子的S7-200型PLC，该型号PLC主模块为CPU226，I/O数量为40，其中开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为24个点，输入形式为+24V直流输入。
由于本系统前端数据来源为压力变送器，其供水压力检测结果为模拟量数据，需转换为开关量才能供给PLC读取和运算，所以在PLC输入端增设了EM235模/数转换扩展模块，该模块有4路模拟量输入1路模拟量输出，可将前端供水压力检测数据转换为PID运算所需标准输入开关量信号，EM235模块主要参数如表二。
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表二 EM235模块常用技术参数
3.5 PLC输入输出（I/O）地址分配
根据系统需要和设备选型结果，我们对西门子S7-200 PLC输入输出端口地址分配如表三所示。
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3.6 PLC外部接线图
PLC输出接口比较简单，在表三中已经加以明确，在此仅对系统启动、停止按钮和模拟量输入接口电路等接口线路进行进一步明确，如图4所示。
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图4
4.变频恒压供水控制系统软件系统
系统软件编程以北泵房3#泵房控制为例，将主控程序和模拟量输入程序用梯形图简要描述如下：
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5.技改前后系统主要变化
由于本次技术改造充分利用了原有设备和闲置设备，因此改造项目几乎没有新增成本投入。但改造后的变频恒压供水系统与原有工频运行的供水系统相比具有一些明显的变化。一是供水系统用户端压力稳定，系统精度明显提高。图5和图6 为供水站主控室显示屏截图，从图中可以看出北泵房3#泵处于供水工作状态，通过变频器调整3#泵电机频率至46.73HZ，保证了用户端供水压力仍为系统设定值0.24 MPa。而原系统在此条件下则需要进行人为干预，开启备用1#泵进行补水操作，以保证下游的生产条件。二是能耗大大下降。据统计，技术改造前供水系统每日用电量约为6800～7000度，采用变频恒压技术后供水系统每日用电量仅为5100～5300度，大大降低了能源消耗，同时系统功率因数也有了明显提高。三是由于变频恒压供水系统稳定性好，自动化程度高，虽然保留了回流阀，但只是作为可能突发事件下的应急手段，因此无需专人三班倒地值守紧盯压力表，大大减轻了人员操作的劳动强度和难度，同时也杜绝了人工造成误差或误操作的可能性，大大提高了系统准确度和灵敏度。
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图6
6.附录
参考文献:
1、基于PLC控制的变频器恒压供水系统.李燕.《中国高新技术企业》（2010第4期）
2、S7-200西门子PLC基础教程.王淑英，赵建光.人民邮电出版社出版（2016.02）
3、西门子M440变频器操作手册
4、M440、6SE70变频器和西门子PLCDP通讯的实现.高宇恩，杨利峰，翟强.《科技致富向导》（2012第2期）
5、《西门子M440变频器AAOP面板操作说明》.
http://bbs.gongkong.com/D/201606/677483_1.shtml