基于三菱FX3U PLC的恒壓變頻供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

路桂明 蔣金周 劉晨光

（南通職業(yè)大學(xué)，南通 226007）

無論采用集中供水還是豎向分區(qū)供水，建筑物樓層越高，對以水壓和供水安全為代表的供水系統(tǒng)要求越高。高層建筑物的結(jié)構(gòu)相較于多層建筑要復(fù)雜得多，單位面積上的人口也比多層建筑要多，在早高峰、晚高峰和節(jié)假日期間用水量激增，容易出現(xiàn)水壓不穩(wěn)的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)一套控制方式先進(jìn)、控制方法合理、安全可靠的供水設(shè)備，不僅能提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和延長運(yùn)行壽命，還可以保證系統(tǒng)水壓穩(wěn)定，起到節(jié)能和降耗的作用。

1 系統(tǒng)的工作原理

傳統(tǒng)高層建筑采用在樓頂安裝不銹鋼水箱和壓力罐的上行下給供水方式，使用泵的數(shù)量多，高壓管道長，占用面積大，運(yùn)行費(fèi)用高。水泵頻繁啟動、停止和制動等操作，不僅會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，而且影響電機(jī)的壽命。目前，高層建筑大多采用無負(fù)壓豎向分區(qū)給水系統(tǒng)。根據(jù)建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范，建筑物豎向分區(qū)的最大使用水壓以0.2～0.3 MPa為宜，入戶水管的進(jìn)口水壓最小值為0.10 MPa。對于管網(wǎng)水壓大于0.35 MPa的入戶，應(yīng)該增加減壓裝置，如4～6層、12～14層、20～22層設(shè)置支管減壓閥，閥后壓強(qiáng)為0.20 MPa。

恒壓供水控制系統(tǒng)中的壓力傳感器在測壓穩(wěn)壓裝置中檢測用戶管網(wǎng)的水壓，將檢測結(jié)果反饋給可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。PLC通過微處理器中央處理器（Central Processing Unit，CPU）的運(yùn)算器和控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和對比，根據(jù)結(jié)果將輸出信號送到與之相連接的變頻器。變頻器中的逆變器根據(jù)PLC的輸出指令改變水泵的運(yùn)行頻率，以變頻調(diào)速的方式實(shí)現(xiàn)水壓自動恒定的目的。

2 系統(tǒng)的組成

恒壓供水系統(tǒng)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測信號、控制系統(tǒng)和上位機(jī)4個部分，如圖1所示。

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由向用戶管網(wǎng)供給水的3組泵構(gòu)成。圖1的3個泵分別為具有高低速選擇功能的恒速泵、變速調(diào)速泵和備用泵。恒速泵采用離心電機(jī)。調(diào)速泵采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制水的流速，由轉(zhuǎn)換開關(guān)連接，兩個泵互為備用泵，一備一用，輪流使用。設(shè)置備用泵便于檢修，可以延長泵的使用壽命。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖

2.2 信號檢測

在系統(tǒng)工作過程中，需要采集和監(jiān)控的信號包括系統(tǒng)用戶管網(wǎng)出水口水壓信號和市政自來水進(jìn)水的蓄水池內(nèi)的水位信號。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常如水泵電機(jī)過載、電路過流和短路、管網(wǎng)超壓、水箱缺水和電源缺相等異常現(xiàn)象時，用聲光報(bào)警燈予以報(bào)警。水箱水位信號用于監(jiān)測蓄水池中的水位，保證水池水位在設(shè)定值范圍內(nèi)。

2.3 控制系統(tǒng)

恒壓供水控制系統(tǒng)的控制部分由核心控制器PLC、變頻器和電路控制設(shè)備3個主要部分組成。

2.4 上位機(jī)

上位機(jī)界面采用工控組態(tài)軟件MCGS進(jìn)行程序編寫和界面設(shè)計(jì)。工作人員通過權(quán)限認(rèn)證后，在操作接口設(shè)定壓強(qiáng)值，以滿足不同用戶管網(wǎng)對水壓的需求。工作人員還可在觸摸屏中監(jiān)視警報(bào)和設(shè)備的動作狀態(tài)等信息。

3 系統(tǒng)的調(diào)速原理

變頻器是將固定頻率的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置[1]。變頻器對水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制作用主要通過以下公式得到，即

式中：s為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率；n0為異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；n為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f為異步電機(jī)的定子供電電源頻率；p為異步電動機(jī)的磁極對數(shù)。如果磁極對數(shù)p不變，則轉(zhuǎn)速n正比于頻率f。根據(jù)這一比例特性，通過不斷調(diào)節(jié)頻率，即可實(shí)現(xiàn)對水泵電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[2]。

4 系統(tǒng)的控制電路組成

恒壓變頻系統(tǒng)的硬件主要包括一臺三菱PLCFX3U-48MR、繼電器輸出規(guī)格和輸出端使用的外部電源。輸出端使用的外部電源無論是交流電源（交流100～240 V）還是直流電源（直流30 V以下），皆可使用。人機(jī)界面選擇昆侖通泰嵌入式集成觸摸屏TPC7062KX，WinCE系統(tǒng)，主頻達(dá)到400 MHz，操作快捷。采用SOFT-PWM控制的三菱FRE740變頻器一臺，輸出頻率為0.2～400.0 Hz，可達(dá)到15段速度控制。壓力傳感器采用模擬量輸出4～20 MA的SZ2088，進(jìn)行用戶管網(wǎng)水壓的監(jiān)測和數(shù)值的傳輸。

FX3U-3A-ADP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過PLC的拓展接口連接在FX3U可編程控制器上，可以連接2通道的電壓/電流輸入信號，輸出1通道的電壓電流數(shù)據(jù)的模擬量特殊適配器。本設(shè)計(jì)中4～20 mA的電流信號連接FX3U-3A-ADP通道1模擬量輸入端的I1-和COM1接口，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，并保存在特殊軟元件D8260中。

5 系統(tǒng)的控制方案和主電路設(shè)計(jì)

恒壓變頻供水系統(tǒng)作為二次加壓供水設(shè)備，有兩種控制模式，即手動控制模式和自動控制模式。在手動控制模式下，可單獨(dú)調(diào)整3臺水泵的運(yùn)行狀態(tài)；在自動控制模式下，可根據(jù)水管水壓狀態(tài)自動調(diào)整2臺與變頻器連接的水泵的工作方式。

主電路采用能實(shí)現(xiàn)高速和低速控制的雙速電機(jī)。三菱FRE740變頻器通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)一拖二的控制方式。兩個電機(jī)均可工作在變頻/工頻模式下。當(dāng)任意一臺電機(jī)出現(xiàn)故障，PLC系統(tǒng)經(jīng)過邏輯分析自動投入備用供電回路，確保管網(wǎng)供水壓強(qiáng)穩(wěn)定，安全供水。雙速電機(jī)主電路圖如圖2所示，控制電路布線圖如圖3所示。

圖2 雙速電機(jī)主電路接線圖

圖3 控制電路接線圖

6 人機(jī)控制界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用以Windows平臺為基礎(chǔ)的MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成恒壓供水系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、數(shù)據(jù)的處理與控制等功能[3-5]。

設(shè)計(jì)的組態(tài)監(jiān)控與控制界面如圖4、圖5和圖6所示。內(nèi)、外部手動/自動開關(guān)信號可能出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，因此它們之間需要加上互鎖。兩者的當(dāng)前狀態(tài)被組態(tài)讀取，檢測內(nèi)外部手/自動開關(guān)所處狀態(tài)是否一致，組態(tài)內(nèi)彈出相應(yīng)的提示框來決定是否強(qiáng)制進(jìn)入當(dāng)前界面狀態(tài)，或者進(jìn)入另一狀態(tài)界面如圖4所示。在觸摸屏TPC7062KX中進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測和控制，系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)指示燈亮，雙速電機(jī)M1工作于低速運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)M2運(yùn)行于中速狀態(tài)，采集到變頻器FRE740的運(yùn)行頻率為30 Hz，中速運(yùn)行指示燈亮，管網(wǎng)壓強(qiáng)正常。

圖4 內(nèi)外部手/自動開關(guān)所處狀態(tài)不一致提示畫面

圖5 控制系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試界面

圖6 控制系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試現(xiàn)場

7 系統(tǒng)調(diào)試

本文設(shè)計(jì)了基于三菱PLC和變頻協(xié)調(diào)控制的恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)，采用恒速泵和調(diào)速泵的協(xié)調(diào)控制策略控制用戶管網(wǎng)的水壓。人機(jī)界面采用觸摸屏，利用MCGS軟件構(gòu)建監(jiān)控和控制系統(tǒng)。調(diào)試結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)能有效提高供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，節(jié)水節(jié)電效果顯著。