基于PLC的小区恒压供水智能控制系统设计

宋曙光,郑小海,2*,王露曼,孙浩毓

(1.西京学院,陕西 西安 710123;2.陕西可控中子源工程技术研究中心,陕西 西安 710123)

0 引言

随着城市化进程的不断发展,促进了小区的建设进程。人们生活的方方面面都少不了水,因此恒压供水系统是小区诸多基础设施中不可或缺的内容。传统的供水系统均存在自动性差、成本高、操作性差、监管性差等诸多问题,已不能较好地满足现在小区用户对供水的需求,需要一种新型的恒压智能供水系统来满足小区用户的用水需求。

本文提出了一种新型恒压供水智能控制系统来满足小区住户对用水的需求,该系统以PLC、变频器、压力变送器、水泵机组等构成闭环控制,实现了供水的恒压控制,同时为了操作和监管方便,加入了MCGS组态模块,将恒压供水智能控制系统运行结果直观地展现出来。与传统系统相比,实现了更加自动化、低成本、可操作性和高监管性的恒压供水效果。

1 总体方案设计

压力变送器对管道的出水口处进行压力检测,把压力信号转化为电信号,电信号经过A/D转化模块处理后转换为数字量,并输入PLC。输入的数字量与设定量之间的差值称为偏差值,把压力偏差值的数字量经RS485输入到变频器中,以影响变频器的输出频率,进而控制水泵的转速。当变频器的频率达到上限或下限时,将反馈量反馈给PLC,PLC通过控制接触器的闭合和开断实现水泵机组的增泵或减泵的操作,减少实际检测值与设定压力值的差值,最终实现实际检测压力值与设定的压力值一致的目的[1]。本系统还加入了上位机MCGS组态,通过RS485与PLC进行通信和控制,总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

2 硬件的选型及设计

2.1 硬件的选型

2.1.1 PLC的选型

PLC又称作可编制逻辑控制器,随着数字技术和电气技术的不断创新和发展,促进了PLC技术不断走向成熟。从第一台PLC诞生至今,PLC已有50多年的历史,期间随着人们对控制要求的不断提高,PLC技术也越来越成熟。为了满足恒压供水智能控制系统的设计需求,本设计采用了三菱FX2N-48MR型PLC。

2.1.2 水泵的选型

根据《城市居民生活用水标准》以及大量的统计,可以推算出小区生活用水需要满足流量范围105 m3/h,扬程60 m左右,出水口水压大小为0.36 MPa。当选择水泵机组时,应从功能和性能两方面进行分析,功能方面是指所挑选的水泵应能达到供水的高度和流量的要求;性能方面是指节能效果,因为大型泵在低流量时效率较低,所以选择多台小型泵并联的运行方式,还需满足所选水泵型号与台数应和水量的变化幅度相匹配。因此,系统选择3台65LG36-20X2型号的水泵。

2.1.3 变频器的选型

变频器是本设计的重要器件,主要任务是驱动水泵变频运行,传感器反馈值与设定压力值间的差值传送给变频器,这个差值的输入量会影响变频器频率的改变,从而控制水泵运行的快慢,实现恒压的功能。变频器生产厂家众多,市场上以西门子和三菱较为常见,变频器的种类多种多样,不同品牌变频器的控制功能也不尽相同,本设计在选择所需变频器时,应考虑到系统特性、调速范围、成本等因素。当满足控制的前提下,应选择性价比较高的类型,对恒压供水系统中的变频器可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。

综合以上因素,系统选择普通功能型U/f控制方式的三菱FR-E700型变频器,该变频器具有可靠性高、工作稳定、操作性强等特点。

2.1.4 压力变送器的选型

压力变送器的作用是检测管网内水压情况,并把测得的压力值转化为4～20 mA或0～5 V的模拟量,为了避免模拟量在传输过程中的损失,本系统选择将压力信号转化成4～20 mA的模拟量,模拟量经A/D转化模块转化为数字量,数字量再输送到PLC中。本设计采用的是KYB-800KT型压力变送器,它具有精度高和工作性能稳定等优点,已被广泛应用于供水系统中。

2.2 硬件的设计

主电路如图2所示,L1、L2、L3为三相电源引出的线,为系统的运行提供电能;FU1接在主电路中,起到保护主电路的作用;FU2、FU3、FU4接在3台泵的工频线路中,对水泵起到保护作用;FU5接在变频器线路中,对变频器起到保护作用;QS接在主线路上,作用是通断主电路;FR1、FR2、FR3分别接在3台水泵的输入线路,作用是热过载保护[2]。

图2 主电路

3 系统的软件设计

3.1 控制模式设计

3.1.1 手动模式

在上位机MCGS组态界面上选择手动模式,系统将进入手动控制状态,可以根据现场需求,通过上位机MCGS组态界面上的按键可以分别对3台水泵的运行状态进行控制[3]。

3.1.2 自动模式

在上位机MCGS组态界面上选择自动模式,系统将进入自动控制状态,在自动控制模式下,系统的工作流程如图3所示。

图3 自动控制流程

3.2 MCGS组态软件设计

本设计选用了三菱FX2N-48MR型PLC,上机位选用了MCGS组态软件系统,两者要通过RS485端口进行通信。首先,根据现场实际需求,需要设置三菱FX2N-48MR的有关参数,然后新建一个用户窗口,设计者能够使用右键定义窗口的标题,窗口设置完成后,双击进入进行监控界面的设计,并对数据对象进行设置,打开“实时数据库”,进入数据库界面,根据所要实现的功能,对已定义的I/O口设置相应数据对象,在MCGS组态中,把与MCGS组态有信息交换的设备按相应关系进行分配。最后,监控界面的设计过程中,应该根据已经确定的数据对象,在MCGS组态界面中设计出与数据对象匹配的设备,在监控界面设定时,数据对象和设备连接时一定要匹配,如果出现错误连接,会直接影响监控界面对运行状态的监视和控制[4]。按照数据对象和设备的相关信息,设计出MCGS组态的监控界面,如图4所示。

图4 MCGS组态的监控界面

4 结语

本文针对小区用户用水的实际需求,基于PLC控制技术和变频器控制技术,对恒压供水系统进行了设计研究。系统分为手动模式和自动模式,在自动模式下,可通过PLC可编程控制器和一台变频器对3台水泵的运行状态和数量进行控制以达到恒压的目的,不仅提高了供水系统的自动化,而且与多台变频器参与的系统相比降低了成本;系统还加入了上位机MCGS组态,增强了系统的操作性、可视性和监管性。