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摘要：为了提高居民生活供水的可靠性和稳定性,设计了一套基于三菱FX3U型PLC和MCGS触摸屏组态技术的变频恒压供水系统。通过对恒压供水工作原理的分析,设计了控制系统的总体框图、软硬件和组态系统,该系统选用PLC自带的PID控制算法,将管网压力控制在标准范围内。通过仿真和实物进行调试,结果表明,该系统改善了供水质量,减小了设备与能源损耗,获得了较高的控制精度。
关键词：PLC；恒压供水控制；触摸屏
Design of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply Control System Based on PLC and Touch Screen
CHEN Jingyan
(Chenzhou Vocational Technical College,Chenzhou Hunan 423000)
【Abstract】：In order to improve the reliability and stability of residential water supply,a variable frequency constant pressure water supply system based on Mitsubishi FX3U PLC and MCGS touch screen configuration technology was designed.Through the analysis of the working principle of constant pressure water supply,the overall block diagram,hardware and software and configuration system of the control system are designed.The system uses the PID control algorithm of PLC to control the pipe network pressure within the standard range.The results show that the system improves the quality of water supply,reduces the loss of equipment and energy,and achieves high control precision.
【Key words】：PLC;constant pressure water supply control;touch screen
0引言
城市供水系统设计是否合理,关系到城市居民生活用水的供水质量、可靠性、稳定性和经济性。目前大部分的住宅小区,尤其是高楼小区,都采用了先进的恒压供水系统。但是还存在很多以前的老旧住宅小区的供水系统采用的是传统的二次加压供水方式。传统供水方式存在水压不稳、能耗较大、水质易受污染、供水范围有限靠等问题,且很多老住宅小区的供水设备由于使用时间长,也存在设备维护困难,部分设备配件因退出市场无法更换等问题,因此急需对现有老住宅小区的供水系统进行二次设计和改造。
1变频恒压供水控制系统总体方案设计
此次设计的变频恒压供水控制系统由硬件和软件两部分组成。软件部分主是由PLC的控制程序。硬件系统结构主要由PLC、变频器、触摸屏、压力变送器、A/D和D/A转换模块、接触器,水泵电机等组成,水泵由3台三相异步电动机来拖动。整个控制系统可以划分为四大组成部分,即：控制部分、执行部分、信号检测部分和触摸屏监控显示部分[1]。控制部分一般集中安装在恒压供水控制柜中,主要包括系统核心控制器PLC、用于实现水泵电机速度调节的变频器、其他电控制设备,控制部分是整个恒压供水系统的核心。信号检测部分主要包括用于检测管网水压的压力变送器、水池水位检测传感器和其他报警信号检测部分,执行部分是水泵机组,由3台三相异步电动机通过变频或工频控制。触摸屏监控显示部分使用MCGS人机交互系统实现。系统框图如图 1 所示。
2变频恒压供水控制系统硬件设计
2.1主电路的设计
本次设计的恒压供水系统共有3台水泵电机,每台电机都既可以工频模式运行,又可以变频模式运行。但是每台水泵电机运行时只能选择工变频或变频两种运行模式中的一种,且为了确保水泵电机安全工作,在设计时既通过接触器硬件互锁,又通过PLC程序软件互锁,即实现双重互锁来保证水泵电机的安全可靠运行。
2.2控制电路的设计
本次设计的变频恒压供水系统选用的是三菱FX2N-4MR型PLC,它可扩展模拟输入和输出设备,本次设计扩展了一个三菱的FX0N-3A数模和模数转换模块。FX0N-3A模块其中一个输入通道可连接压力变送器检测到的模拟信号,输出通道输出的模拟理可以输入变频器的模拟理输入端子,用于水泵电机的转速调节,从而调节管网的出口压力。
本次设计选用的变频器为三菱FR-E740。FR-E740变频器的运行模式有变频器面板控制（PU),外部端子控制（EXT)和通信方式控制（NET)实现对电动机的启停和转速控制。本设计中采用外部运行模式,启动/停止运行用变频器的开关量输入端子,调速是将FX0N-3A模块的输出通道的模拟量输入到变频器的模拟量输入端子来实现。
PLC的输入主要有三个泵的手动启动/停止按钮、急停开关、自动/手动转换开关、自动启动/停止按钮、变频器故障和水池缺水检测传感器共12个。输出主要有启停电动机的接触器和启停变频器的控制端子,PLC的输入输出分配表如表1所示。电气控制系统硬件接线图如图2所示。
3变频恒压供水控制系统软件设计
3.1 PLC程序设计
系统手动控制一般都是检修设备时才使用,恒压供水系统手动启动时为每台水泵电机设置了启动和停止按钮。如图3所示为变频恒压供水系统自动运行时的程序流程图。自动启动时,先1号水泵电机变频启动运行,当管网的实际压力实大于设定压力时,PLC运行PID控制程序,连续调节1号水泵电机转速[2]。若1号水泵电机运行频率达到设定的上限值时,如果管网压力仍小于设定压力,则PLC将控制1号水泵电机切换到工频运行,同时变频启动2号水泵电机。当管网的实际压力大于设定压力时,PLC运行PID控制程序,连续调节2号水泵电机转速。若2号水泵电机运行频率低于设定的下限值时,2号水泵电机停止,1号水泵电机转为变频运行；若2号水泵电机运行频率达到上限值时,如果管网压力小于设定压力时,PLC将控制2号水泵电机也切换到工频运行,同时变频启动3号水泵电机。当管网的实际压力小于设定压力时,PLC运行PID控制程序,连续调节3号水泵电机转速。若3号水泵电机运行频率低于下限值时,3号水泵电机停止,2号水泵电机转为变频运行；若3号水泵电机运行频率达到上限值时,如果管网压力仍小于设定压力时,PLC控制器发出报警信息。
3.2 MCGS触摸屏组态软件设计
本次设计使用的触摸屏组态软件是MCGS组态软件,通过组态监控界面的设计,可以实现对变频恒压供水系统运行时各种状态和数据的监控,系统设计有3个界面,主界面如图4所示,在主界面中可以监控3台水泵的运行情况、当前压力、设定压力和变频器的当前运行频率。
4结语
本次设计的变频恒压供水控制系统,采用PLC和变频器可实现恒压控制,采用触摸屏可实现实时监控系统的各种参数、报警等。系统运行起来具有安全、方便、故障率低,且便于维护等优点。不仅提高了小区居民用水质量,也方便了物业管理人员操作管理。因此,系统可以应用在旧住宅小区供水系统改造上,也可以用在新住宅小区。
参考文献
[1]刘金茂,李文,唐雅媛,等.基于S7-200 PLC恒压供水控制系统设计[J].机电工程技术,2021,50(2):167-170+176.
[2]张文彬,邓亮,刘萍.基于S7-300PLC的变频调速恒压供水系统设计[J].上海电力大学学报,2020,36(6):535-540.
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