基于PLC的小區恒壓供水智能控制系統設計

宋曙光,鄭小海,2*,王露曼,孫浩毓

(1.西京學院,陜西 西安 710123;2.陜西可控中子源工程技術研究中心,陜西 西安 710123)

0 引言

隨著城市化進程的不斷發展,促進了小區的建設進程。人們生活的方方面面都少不了水,因此恒壓供水系統是小區諸多基礎設施中不可或缺的內容。傳統的供水系統均存在自動性差、成本高、操作性差、監管性差等諸多問題,已不能較好地滿足現在小區用戶對供水的需求,需要一種新型的恒壓智能供水系統來滿足小區用戶的用水需求。

本文提出了一種新型恒壓供水智能控制系統來滿足小區住戶對用水的需求,該系統以PLC、變頻器、壓力變送器、水泵機組等構成閉環控制,實現了供水的恒壓控制,同時為了操作和監管方便,加入了MCGS組態模塊,將恒壓供水智能控制系統運行結果直觀地展現出來。與傳統系統相比,實現了更加自動化、低成本、可操作性和高監管性的恒壓供水效果。

1 總體方案設計

壓力變送器對管道的出水口處進行壓力檢測,把壓力信號轉化為電信號,電信號經過A/D轉化模塊處理后轉換為數字量,并輸入PLC。輸入的數字量與設定量之間的差值稱為偏差值,把壓力偏差值的數字量經RS485輸入到變頻器中,以影響變頻器的輸出頻率,進而控制水泵的轉速。當變頻器的頻率達到上限或下限時,將反饋量反饋給PLC,PLC通過控制接觸器的閉合和開斷實現水泵機組的增泵或減泵的操作,減少實際檢測值與設定壓力值的差值,最終實現實際檢測壓力值與設定的壓力值一致的目的[1]。本系統還加入了上位機MCGS組態,通過RS485與PLC進行通信和控制,總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 硬件的選型及設計

2.1 硬件的選型

2.1.1 PLC的選型

PLC又稱作可編制邏輯控制器,隨著數字技術和電氣技術的不斷創新和發展,促進了PLC技術不斷走向成熟。從第一臺PLC誕生至今,PLC已有50多年的歷史,期間隨著人們對控制要求的不斷提高,PLC技術也越來越成熟。為了滿足恒壓供水智能控制系統的設計需求,本設計采用了三菱FX2N-48MR型PLC。

2.1.2 水泵的選型

根據《城市居民生活用水標準》以及大量的統計,可以推算出小區生活用水需要滿足流量范圍105 m3/h,揚程60 m左右,出水口水壓大小為0.36 MPa。當選擇水泵機組時,應從功能和性能兩方面進行分析,功能方面是指所挑選的水泵應能達到供水的高度和流量的要求;性能方面是指節能效果,因為大型泵在低流量時效率較低,所以選擇多臺小型泵并聯的運行方式,還需滿足所選水泵型號與臺數應和水量的變化幅度相匹配。因此,系統選擇3臺65LG36-20X2型號的水泵。

2.1.3 變頻器的選型

變頻器是本設計的重要器件,主要任務是驅動水泵變頻運行,傳感器反饋值與設定壓力值間的差值傳送給變頻器,這個差值的輸入量會影響變頻器頻率的改變,從而控制水泵運行的快慢,實現恒壓的功能。變頻器生產廠家眾多,市場上以西門子和三菱較為常見,變頻器的種類多種多樣,不同品牌變頻器的控制功能也不盡相同,本設計在選擇所需變頻器時,應考慮到系統特性、調速范圍、成本等因素。當滿足控制的前提下,應選擇性價比較高的類型,對恒壓供水系統中的變頻器可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。

綜合以上因素,系統選擇普通功能型U/f控制方式的三菱FR-E700型變頻器,該變頻器具有可靠性高、工作穩定、操作性強等特點。

2.1.4 壓力變送器的選型

壓力變送器的作用是檢測管網內水壓情況,并把測得的壓力值轉化為4～20 mA或0～5 V的模擬量,為了避免模擬量在傳輸過程中的損失,本系統選擇將壓力信號轉化成4～20 mA的模擬量,模擬量經A/D轉化模塊轉化為數字量,數字量再輸送到PLC中。本設計采用的是KYB-800KT型壓力變送器,它具有精度高和工作性能穩定等優點,已被廣泛應用于供水系統中。

2.2 硬件的設計

主電路如圖2所示,L1、L2、L3為三相電源引出的線,為系統的運行提供電能;FU1接在主電路中,起到保護主電路的作用;FU2、FU3、FU4接在3臺泵的工頻線路中,對水泵起到保護作用;FU5接在變頻器線路中,對變頻器起到保護作用;QS接在主線路上,作用是通斷主電路;FR1、FR2、FR3分別接在3臺水泵的輸入線路,作用是熱過載保護[2]。

圖2 主電路

3 系統的軟件設計

3.1 控制模式設計

3.1.1 手動模式

在上位機MCGS組態界面上選擇手動模式,系統將進入手動控制狀態,可以根據現場需求,通過上位機MCGS組態界面上的按鍵可以分別對3臺水泵的運行狀態進行控制[3]。

3.1.2 自動模式

在上位機MCGS組態界面上選擇自動模式,系統將進入自動控制狀態,在自動控制模式下,系統的工作流程如圖3所示。

圖3 自動控制流程

3.2 MCGS組態軟件設計

本設計選用了三菱FX2N-48MR型PLC,上機位選用了MCGS組態軟件系統,兩者要通過RS485端口進行通信。首先,根據現場實際需求,需要設置三菱FX2N-48MR的有關參數,然后新建一個用戶窗口,設計者能夠使用右鍵定義窗口的標題,窗口設置完成后,雙擊進入進行監控界面的設計,并對數據對象進行設置,打開“實時數據庫”,進入數據庫界面,根據所要實現的功能,對已定義的I/O口設置相應數據對象,在MCGS組態中,把與MCGS組態有信息交換的設備按相應關系進行分配。最后,監控界面的設計過程中,應該根據已經確定的數據對象,在MCGS組態界面中設計出與數據對象匹配的設備,在監控界面設定時,數據對象和設備連接時一定要匹配,如果出現錯誤連接,會直接影響監控界面對運行狀態的監視和控制[4]。按照數據對象和設備的相關信息,設計出MCGS組態的監控界面,如圖4所示。

圖4 MCGS組態的監控界面

4 結語

本文針對小區用戶用水的實際需求,基于PLC控制技術和變頻器控制技術,對恒壓供水系統進行了設計研究。系統分為手動模式和自動模式,在自動模式下,可通過PLC可編程控制器和一臺變頻器對3臺水泵的運行狀態和數量進行控制以達到恒壓的目的,不僅提高了供水系統的自動化,而且與多臺變頻器參與的系統相比降低了成本;系統還加入了上位機MCGS組態,增強了系統的操作性、可視性和監管性。