基于三菱FX3U PLC的恒压变频供水控制系统设计

路桂明 蒋金周 刘晨光

（南通职业大学，南通 226007）

无论采用集中供水还是竖向分区供水，建筑物楼层越高，对以水压和供水安全为代表的供水系统要求越高。高层建筑物的结构相较于多层建筑要复杂得多，单位面积上的人口也比多层建筑要多，在早高峰、晚高峰和节假日期间用水量激增，容易出现水压不稳的现象。设计一套控制方式先进、控制方法合理、安全可靠的供水设备，不仅能提高系统的运行效率和延长运行寿命，还可以保证系统水压稳定，起到节能和降耗的作用。

1 系统的工作原理

传统高层建筑采用在楼顶安装不锈钢水箱和压力罐的上行下给供水方式，使用泵的数量多，高压管道长，占用面积大，运行费用高。水泵频繁启动、停止和制动等操作，不仅会对电网产生较大冲击，而且影响电机的寿命。目前，高层建筑大多采用无负压竖向分区给水系统。根据建筑给排水设计规范，建筑物竖向分区的最大使用水压以0.2～0.3 MPa为宜，入户水管的进口水压最小值为0.10 MPa。对于管网水压大于0.35 MPa的入户，应该增加减压装置，如4～6层、12～14层、20～22层设置支管减压阀，阀后压强为0.20 MPa。

恒压供水控制系统中的压力传感器在测压稳压装置中检测用户管网的水压，将检测结果反馈给可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。PLC通过微处理器中央处理器（Central Processing Unit，CPU）的运算器和控制器进行数据运算和对比，根据结果将输出信号送到与之相连接的变频器。变频器中的逆变器根据PLC的输出指令改变水泵的运行频率，以变频调速的方式实现水压自动恒定的目的。

2 系统的组成

恒压供水系统包括执行机构、检测信号、控制系统和上位机4个部分，如图1所示。

2.1 执行机构

执行机构由向用户管网供给水的3组泵构成。图1的3个泵分别为具有高低速选择功能的恒速泵、变速调速泵和备用泵。恒速泵采用离心电机。调速泵采用变频器控制电机的转速来控制水的流速，由转换开关连接，两个泵互为备用泵，一备一用，轮流使用。设置备用泵便于检修，可以延长泵的使用寿命。

图1 恒压供水系统原理图

2.2 信号检测

在系统工作过程中，需要采集和监控的信号包括系统用户管网出水口水压信号和市政自来水进水的蓄水池内的水位信号。当系统出现异常如水泵电机过载、电路过流和短路、管网超压、水箱缺水和电源缺相等异常现象时，用声光报警灯予以报警。水箱水位信号用于监测蓄水池中的水位，保证水池水位在设定值范围内。

2.3 控制系统

恒压供水控制系统的控制部分由核心控制器PLC、变频器和电路控制设备3个主要部分组成。

2.4 上位机

上位机界面采用工控组态软件MCGS进行程序编写和界面设计。工作人员通过权限认证后，在操作接口设定压强值，以满足不同用户管网对水压的需求。工作人员还可在触摸屏中监视警报和设备的动作状态等信息。

3 系统的调速原理

变频器是将固定频率的交流电变换成频率连续可调的交流电的装置[1]。变频器对水泵电机转速的控制作用主要通过以下公式得到，即

式中：s为异步电机转差率；n0为异步电机的同步转速；n为异步电动机的转子转速；f为异步电机的定子供电电源频率；p为异步电动机的磁极对数。如果磁极对数p不变，则转速n正比于频率f。根据这一比例特性，通过不断调节频率，即可实现对水泵电机转子的转速调节[2]。

4 系统的控制电路组成

恒压变频系统的硬件主要包括一台三菱PLCFX3U-48MR、继电器输出规格和输出端使用的外部电源。输出端使用的外部电源无论是交流电源（交流100～240 V）还是直流电源（直流30 V以下），皆可使用。人机界面选择昆仑通泰嵌入式集成触摸屏TPC7062KX，WinCE系统，主频达到400 MHz，操作快捷。采用SOFT-PWM控制的三菱FRE740变频器一台，输出频率为0.2～400.0 Hz，可达到15段速度控制。压力传感器采用模拟量输出4～20 MA的SZ2088，进行用户管网水压的监测和数值的传输。

FX3U-3A-ADP模数转换模块通过PLC的拓展接口连接在FX3U可编程控制器上，可以连接2通道的电压/电流输入信号，输出1通道的电压电流数据的模拟量特殊适配器。本设计中4～20 mA的电流信号连接FX3U-3A-ADP通道1模拟量输入端的I1-和COM1接口，转换为数字量信号，并保存在特殊软元件D8260中。

5 系统的控制方案和主电路设计

恒压变频供水系统作为二次加压供水设备，有两种控制模式，即手动控制模式和自动控制模式。在手动控制模式下，可单独调整3台水泵的运行状态；在自动控制模式下，可根据水管水压状态自动调整2台与变频器连接的水泵的工作方式。

主电路采用能实现高速和低速控制的双速电机。三菱FRE740变频器通过转换开关实现一拖二的控制方式。两个电机均可工作在变频/工频模式下。当任意一台电机出现故障，PLC系统经过逻辑分析自动投入备用供电回路，确保管网供水压强稳定，安全供水。双速电机主电路图如图2所示，控制电路布线图如图3所示。

图2 双速电机主电路接线图

图3 控制电路接线图

6 人机控制界面设计

设计采用以Windows平台为基础的MCGS组态软件系统，用于快速构造和生成上位机监控系统，主要完成恒压供水系统现场数据的采集与监测、数据的处理与控制等功能[3-5]。

设计的组态监控与控制界面如图4、图5和图6所示。内、外部手动/自动开关信号可能出现不一致现象，因此它们之间需要加上互锁。两者的当前状态被组态读取，检测内外部手/自动开关所处状态是否一致，组态内弹出相应的提示框来决定是否强制进入当前界面状态，或者进入另一状态界面如图4所示。在触摸屏TPC7062KX中进行系统监测和控制，系统处于运行状态，运行状态指示灯亮，双速电机M1工作于低速运行状态，电机M2运行于中速状态，采集到变频器FRE740的运行频率为30 Hz，中速运行指示灯亮，管网压强正常。

图4 内外部手/自动开关所处状态不一致提示画面

图5 控制系统的运行调试界面

图6 控制系统的运行调试现场

7 系统调试

本文设计了基于三菱PLC和变频协调控制的恒压调速供水系统，采用恒速泵和调速泵的协调控制策略控制用户管网的水压。人机界面采用触摸屏，利用MCGS软件构建监控和控制系统。调试结果显示，该设计能有效提高供水系统的可靠性和稳定性，节水节电效果显著。