基于三菱FX3U PLC的恒壓變頻供水控制系統設計

路桂明 蔣金周 劉晨光

（南通職業大學，南通 226007）

無論采用集中供水還是豎向分區供水，建筑物樓層越高，對以水壓和供水安全為代表的供水系統要求越高。高層建筑物的結構相較于多層建筑要復雜得多，單位面積上的人口也比多層建筑要多，在早高峰、晚高峰和節假日期間用水量激增，容易出現水壓不穩的現象。設計一套控制方式先進、控制方法合理、安全可靠的供水設備，不僅能提高系統的運行效率和延長運行壽命，還可以保證系統水壓穩定，起到節能和降耗的作用。

1 系統的工作原理

傳統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，使用泵的數量多，高壓管道長，占用面積大，運行費用高。水泵頻繁啟動、停止和制動等操作，不僅會對電網產生較大沖擊，而且影響電機的壽命。目前，高層建筑大多采用無負壓豎向分區給水系統。根據建筑給排水設計規范，建筑物豎向分區的最大使用水壓以0.2～0.3 MPa為宜，入戶水管的進口水壓最小值為0.10 MPa。對于管網水壓大于0.35 MPa的入戶，應該增加減壓裝置，如4～6層、12～14層、20～22層設置支管減壓閥，閥后壓強為0.20 MPa。

恒壓供水控制系統中的壓力傳感器在測壓穩壓裝置中檢測用戶管網的水壓，將檢測結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）的運算器和控制器進行數據運算和對比，根據結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PLC的輸出指令改變水泵的運行頻率，以變頻調速的方式實現水壓自動恒定的目的。

2 系統的組成

恒壓供水系統包括執行機構、檢測信號、控制系統和上位機4個部分，如圖1所示。

2.1 執行機構

執行機構由向用戶管網供給水的3組泵構成。圖1的3個泵分別為具有高低速選擇功能的恒速泵、變速調速泵和備用泵。恒速泵采用離心電機。調速泵采用變頻器控制電機的轉速來控制水的流速，由轉換開關連接，兩個泵互為備用泵，一備一用，輪流使用。設置備用泵便于檢修，可以延長泵的使用壽命。

圖1 恒壓供水系統原理圖

2.2 信號檢測

在系統工作過程中，需要采集和監控的信號包括系統用戶管網出水口水壓信號和市政自來水進水的蓄水池內的水位信號。當系統出現異常如水泵電機過載、電路過流和短路、管網超壓、水箱缺水和電源缺相等異常現象時，用聲光報警燈予以報警。水箱水位信號用于監測蓄水池中的水位，保證水池水位在設定值范圍內。

2.3 控制系統

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

2.4 上位機

上位機界面采用工控組態軟件MCGS進行程序編寫和界面設計。工作人員通過權限認證后，在操作接口設定壓強值，以滿足不同用戶管網對水壓的需求。工作人員還可在觸摸屏中監視警報和設備的動作狀態等信息。

3 系統的調速原理

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

式中：s為異步電機轉差率；n0為異步電機的同步轉速；n為異步電動機的轉子轉速；f為異步電機的定子供電電源頻率；p為異步電動機的磁極對數。如果磁極對數p不變，則轉速n正比于頻率f。根據這一比例特性，通過不斷調節頻率，即可實現對水泵電機轉子的轉速調節[2]。

4 系統的控制電路組成

恒壓變頻系統的硬件主要包括一臺三菱PLCFX3U-48MR、繼電器輸出規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。人機界面選擇昆侖通泰嵌入式集成觸摸屏TPC7062KX，WinCE系統，主頻達到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，進行用戶管網水壓的監測和數值的傳輸。

FX3U-3A-ADP模數轉換模塊通過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通道的電壓電流數據的模擬量特殊適配器。本設計中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，轉換為數字量信號，并保存在特殊軟元件D8260中。

5 系統的控制方案和主電路設計

恒壓變頻供水系統作為二次加壓供水設備，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，可單獨調整3臺水泵的運行狀態；在自動控制模式下，可根據水管水壓狀態自動調整2臺與變頻器連接的水泵的工作方式。

主電路采用能實現高速和低速控制的雙速電機。三菱FRE740變頻器通過轉換開關實現一拖二的控制方式。兩個電機均可工作在變頻/工頻模式下。當任意一臺電機出現故障，PLC系統經過邏輯分析自動投入備用供電回路，確保管網供水壓強穩定，安全供水。雙速電機主電路圖如圖2所示，控制電路布線圖如圖3所示。

圖2 雙速電機主電路接線圖

圖3 控制電路接線圖

6 人機控制界面設計

設計采用以Windows平臺為基礎的MCGS組態軟件系統，用于快速構造和生成上位機監控系統，主要完成恒壓供水系統現場數據的采集與監測、數據的處理與控制等功能[3-5]。

設計的組態監控與控制界面如圖4、圖5和圖6所示。內、外部手動/自動開關信號可能出現不一致現象，因此它們之間需要加上互鎖。兩者的當前狀態被組態讀取，檢測內外部手/自動開關所處狀態是否一致，組態內彈出相應的提示框來決定是否強制進入當前界面狀態，或者進入另一狀態界面如圖4所示。在觸摸屏TPC7062KX中進行系統監測和控制，系統處于運行狀態，運行狀態指示燈亮，雙速電機M1工作于低速運行狀態，電機M2運行于中速狀態，采集到變頻器FRE740的運行頻率為30 Hz，中速運行指示燈亮，管網壓強正常。

圖4 內外部手/自動開關所處狀態不一致提示畫面

圖5 控制系統的運行調試界面

圖6 控制系統的運行調試現場

7 系統調試

本文設計了基于三菱PLC和變頻協調控制的恒壓調速供水系統，采用恒速泵和調速泵的協調控制策略控制用戶管網的水壓。人機界面采用觸摸屏，利用MCGS軟件構建監控和控制系統。調試結果顯示，該設計能有效提高供水系統的可靠性和穩定性，節水節電效果顯著。