基于PLC的小區(qū)恒壓供水智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋曙光,鄭小海,2*,王露曼,孫浩毓

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

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展,促進(jìn)了小區(qū)的建設(shè)進(jìn)程。人們生活的方方面面都少不了水,因此恒壓供水系統(tǒng)是小區(qū)諸多基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的內(nèi)容。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)均存在自動性差、成本高、操作性差、監(jiān)管性差等諸多問題,已不能較好地滿足現(xiàn)在小區(qū)用戶對供水的需求,需要一種新型的恒壓智能供水系統(tǒng)來滿足小區(qū)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(tǒng)來滿足小區(qū)住戶對用水的需求,該系統(tǒng)以PLC、變頻器、壓力變送器、水泵機(jī)組等構(gòu)成閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了供水的恒壓控制,同時為了操作和監(jiān)管方便,加入了MCGS組態(tài)模塊,將恒壓供水智能控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果直觀地展現(xiàn)出來。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,實(shí)現(xiàn)了更加自動化、低成本、可操作性和高監(jiān)管性的恒壓供水效果。

1 總體方案設(shè)計(jì)

壓力變送器對管道的出水口處進(jìn)行壓力檢測,把壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號,電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化模塊處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并輸入PLC。輸入的數(shù)字量與設(shè)定量之間的差值稱為偏差值,把壓力偏差值的數(shù)字量經(jīng)RS485輸入到變頻器中,以影響變頻器的輸出頻率,進(jìn)而控制水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻器的頻率達(dá)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(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的增泵或減泵的操作,減少實(shí)際檢測值與設(shè)定壓力值的差值,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際檢測壓力值與設(shè)定的壓力值一致的目的[1]。本系統(tǒng)還加入了上位機(jī)MCGS組態(tài),通過RS485與PLC進(jìn)行通信和控制,總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件的選型及設(shè)計(jì)

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(shù)字技術(shù)和電氣技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,促進(jìn)了PLC技術(shù)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(shù)也越來越成熟。為了滿足恒壓供水智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求,本設(shè)計(jì)采用了三菱FX2N-48MR型PLC。

2.1.2 水泵的選型

根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》以及大量的統(tǒng)計(jì),可以推算出小區(qū)生活用水需要滿足流量范圍105 m3/h,揚(yáng)程60 m左右,出水口水壓大小為0.36 MPa。當(dāng)選擇水泵機(jī)組時,應(yīng)從功能和性能兩方面進(jìn)行分析,功能方面是指所挑選的水泵應(yīng)能達(dá)到供水的高度和流量的要求;性能方面是指節(jié)能效果,因?yàn)榇笮捅迷诘土髁繒r效率較低,所以選擇多臺小型泵并聯(lián)的運(yùn)行方式,還需滿足所選水泵型號與臺數(shù)應(yīng)和水量的變化幅度相匹配。因此,系統(tǒng)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(shè)計(jì)的重要器件,主要任務(wù)是驅(qū)動水泵變頻運(yùn)行,傳感器反饋值與設(shè)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(yùn)行的快慢,實(shí)現(xiàn)恒壓的功能。變頻器生產(chǎn)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(shè)計(jì)在選擇所需變頻器時,應(yīng)考慮到系統(tǒng)特性、調(diào)速范圍、成本等因素。當(dāng)滿足控制的前提下,應(yīng)選擇性價比較高的類型,對恒壓供水系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.1.4 壓力變送器的選型

壓力變送器的作用是檢測管網(wǎng)內(nèi)水壓情況,并把測得的壓力值轉(zhuǎn)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(tǒng)選擇將壓力信號轉(zhuǎn)化成4～20 mA的模擬量,模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,數(shù)字量再輸送到PLC中。本設(shè)計(jì)采用的是KYB-800KT型壓力變送器,它具有精度高和工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于供水系統(tǒng)中。

2.2 硬件的設(shè)計(jì)

主電路如圖2所示,L1、L2、L3為三相電源引出的線,為系統(tǒng)的運(yùn)行提供電能;FU1接在主電路中,起到保護(hù)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(hù)作用;FU5接在變頻器線路中,對變頻器起到保護(hù)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(hù)[2]。

圖2 主電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制模式設(shè)計(jì)

3.1.1 手動模式

在上位機(jī)MCGS組態(tài)界面上選擇手動模式,系統(tǒng)將進(jìn)入手動控制狀態(tài),可以根據(jù)現(xiàn)場需求,通過上位機(jī)MCGS組態(tài)界面上的按鍵可以分別對3臺水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制[3]。

3.1.2 自動模式

在上位機(jī)MCGS組態(tài)界面上選擇自動模式,系統(tǒng)將進(jìn)入自動控制狀態(tài),在自動控制模式下,系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

圖3 自動控制流程

3.2 MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用了三菱FX2N-48MR型PLC,上機(jī)位選用了MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng),兩者要通過RS485端口進(jìn)行通信。首先,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求,需要設(shè)置三菱FX2N-48MR的有關(guān)參數(shù),然后新建一個用戶窗口,設(shè)計(jì)者能夠使用右鍵定義窗口的標(biāo)題,窗口設(shè)置完成后,雙擊進(jìn)入進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計(jì),并對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行設(shè)置,打開“實(shí)時數(shù)據(jù)庫”,進(jìn)入數(shù)據(jù)庫界面,根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能,對已定義的I/O口設(shè)置相應(yīng)數(shù)據(jù)對象,在MCGS組態(tài)中,把與MCGS組態(tài)有信息交換的設(shè)備按相應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分配。最后,監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)該根據(jù)已經(jīng)確定的數(shù)據(jù)對象,在MCGS組態(tài)界面中設(shè)計(jì)出與數(shù)據(jù)對象匹配的設(shè)備,在監(jiān)控界面設(shè)定時,數(shù)據(jù)對象和設(shè)備連接時一定要匹配,如果出現(xiàn)錯誤連接,會直接影響監(jiān)控界面對運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制[4]。按照數(shù)據(jù)對象和設(shè)備的相關(guān)信息,設(shè)計(jì)出MCGS組態(tài)的監(jiān)控界面,如圖4所示。

圖4 MCGS組態(tài)的監(jiān)控界面

4 結(jié)語

本文針對小區(qū)用戶用水的實(shí)際需求,基于PLC控制技術(shù)和變頻器控制技術(shù),對恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。系統(tǒng)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(yùn)行狀態(tài)和數(shù)量進(jìn)行控制以達(dá)到恒壓的目的,不僅提高了供水系統(tǒng)的自動化,而且與多臺變頻器參與的系統(tǒng)相比降低了成本;系統(tǒng)還加入了上位機(jī)MCGS組態(tài),增強(qiáng)了系統(tǒng)的操作性、可視性和監(jiān)管性。