路桂明 蔣金周 劉晨光

（南通職業(yè)大學，南通 226007）

無論采用集中供水還是豎向分區(qū)供水，建筑物樓層越高，對以水壓和供水安全為代表的供水系統(tǒng)要求越高。高層建筑物的結構相較于多層建筑要復雜得多，單位面積上的人口也比多層建筑要多，在早高峰、晚高峰和節(jié)假日期間用水量激增，容易出現(xiàn)水壓不穩(wěn)的現(xiàn)象。設計一套控制方式先進、控制方法合理、安全可靠的供水設備，不僅能提高系統(tǒng)的運行效率和延長運行壽命，還可以保證系統(tǒng)水壓穩(wěn)定，起到節(jié)能和降耗的作用。

1 系統(tǒng)的工作原理

傳統(tǒng)高層建筑采用在樓頂安裝不銹鋼水箱和壓力罐的上行下給供水方式，使用泵的數(shù)量多，高壓管道長，占用面積大，運行費用高。水泵頻繁啟動、停止和制動等操作，不僅會對電網產生較大沖擊，而且影響電機的壽命。目前，高層建筑大多采用無負壓豎向分區(qū)給水系統(tǒng)。根據(jù)建筑給排水設計規(guī)范，建筑物豎向分區(qū)的最大使用水壓以0.2～0.3 MPa為宜，入戶水管的進口水壓最小值為0.10 MPa。對于管網水壓大于0.35 MPa的入戶，應該增加減壓裝置，如4～6層、12～14層、20～22層設置支管減壓閥，閥后壓強為0.20 MPa。

恒壓供水控制系統(tǒng)中的壓力傳感器在測壓穩(wěn)壓裝置中檢測用戶管網的水壓，將檢測結果反饋給可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。PLC通過微處理器中央處理器（Central Processing Unit，CPU）的運算器和控制器進行數(shù)據(jù)運算和對比，根據(jù)結果將輸出信號送到與之相連接的變頻器。變頻器中的逆變器根據(jù)PLC的輸出指令改變水泵的運行頻率，以變頻調速的方式實現(xiàn)水壓自動恒定的目的。

2 系統(tǒng)的組成

恒壓供水系統(tǒng)包括執(zhí)行機構、檢測信號、控制系統(tǒng)和上位機4個部分，如圖1所示。

2.1 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構由向用戶管網供給水的3組泵構成。圖1的3個泵分別為具有高低速選擇功能的恒速泵、變速調速泵和備用泵。恒速泵采用離心電機。調速泵采用變頻器控制電機的轉速來控制水的流速，由轉換開關連接，兩個泵互為備用泵，一備一用，輪流使用。設置備用泵便于檢修，可以延長泵的使用壽命。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖

2.2 信號檢測

在系統(tǒng)工作過程中，需要采集和監(jiān)控的信號包括系統(tǒng)用戶管網出水口水壓信號和市政自來水進水的蓄水池內的水位信號。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常如水泵電機過載、電路過流和短路、管網超壓、水箱缺水和電源缺相等異?，F(xiàn)象時，用聲光報警燈予以報警。水箱水位信號用于監(jiān)測蓄水池中的水位，保證水池水位在設定值范圍內。

2.3 控制系統(tǒng)

恒壓供水控制系統(tǒng)的控制部分由核心控制器PLC、變頻器和電路控制設備3個主要部分組成。

2.4 上位機

上位機界面采用工控組態(tài)軟件MCGS進行程序編寫和界面設計。工作人員通過權限認證后，在操作接口設定壓強值，以滿足不同用戶管網對水壓的需求。工作人員還可在觸摸屏中監(jiān)視警報和設備的動作狀態(tài)等信息。

3 系統(tǒng)的調速原理

變頻器是將固定頻率的交流電變換成頻率連續(xù)可調的交流電的裝置[1]。變頻器對水泵電機轉速的控制作用主要通過以下公式得到，即

式中：s為異步電機轉差率；n0為異步電機的同步轉速；n為異步電動機的轉子轉速；f為異步電機的定子供電電源頻率；p為異步電動機的磁極對數(shù)。如果磁極對數(shù)p不變，則轉速n正比于頻率f。根據(jù)這一比例特性，通過不斷調節(jié)頻率，即可實現(xiàn)對水泵電機轉子的轉速調節(jié)[2]。

4 系統(tǒng)的控制電路組成

恒壓變頻系統(tǒng)的硬件主要包括一臺三菱PLCFX3U-48MR、繼電器輸出規(guī)格和輸出端使用的外部電源。輸出端使用的外部電源無論是交流電源（交流100～240 V）還是直流電源（直流30 V以下），皆可使用。人機界面選擇昆侖通泰嵌入式集成觸摸屏TPC7062KX，WinCE系統(tǒng)，主頻達到400 MHz，操作快捷。采用SOFT-PWM控制的三菱FRE740變頻器一臺，輸出頻率為0.2～400.0 Hz，可達到15段速度控制。壓力傳感器采用模擬量輸出4～20 MA的SZ2088，進行用戶管網水壓的監(jiān)測和數(shù)值的傳輸。

FX3U-3A-ADP模數(shù)轉換模塊通過PLC的拓展接口連接在FX3U可編程控制器上，可以連接2通道的電壓/電流輸入信號，輸出1通道的電壓電流數(shù)據(jù)的模擬量特殊適配器。本設計中4～20 mA的電流信號連接FX3U-3A-ADP通道1模擬量輸入端的I1-和COM1接口，轉換為數(shù)字量信號，并保存在特殊軟元件D8260中。

5 系統(tǒng)的控制方案和主電路設計

恒壓變頻供水系統(tǒng)作為二次加壓供水設備，有兩種控制模式，即手動控制模式和自動控制模式。在手動控制模式下，可單獨調整3臺水泵的運行狀態(tài)；在自動控制模式下，可根據(jù)水管水壓狀態(tài)自動調整2臺與變頻器連接的水泵的工作方式。

主電路采用能實現(xiàn)高速和低速控制的雙速電機。三菱FRE740變頻器通過轉換開關實現(xiàn)一拖二的控制方式。兩個電機均可工作在變頻/工頻模式下。當任意一臺電機出現(xiàn)故障，PLC系統(tǒng)經過邏輯分析自動投入備用供電回路，確保管網供水壓強穩(wěn)定，安全供水。雙速電機主電路圖如圖2所示，控制電路布線圖如圖3所示。

圖2 雙速電機主電路接線圖

圖3 控制電路接線圖

6 人機控制界面設計

設計采用以Windows平臺為基礎的MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成恒壓供水系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、數(shù)據(jù)的處理與控制等功能[3-5]。

設計的組態(tài)監(jiān)控與控制界面如圖4、圖5和圖6所示。內、外部手動/自動開關信號可能出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，因此它們之間需要加上互鎖。兩者的當前狀態(tài)被組態(tài)讀取，檢測內外部手/自動開關所處狀態(tài)是否一致，組態(tài)內彈出相應的提示框來決定是否強制進入當前界面狀態(tài)，或者進入另一狀態(tài)界面如圖4所示。在觸摸屏TPC7062KX中進行系統(tǒng)監(jiān)測和控制，系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，運行狀態(tài)指示燈亮，雙速電機M1工作于低速運行狀態(tài)，電機M2運行于中速狀態(tài)，采集到變頻器FRE740的運行頻率為30 Hz，中速運行指示燈亮，管網壓強正常。

圖4 內外部手/自動開關所處狀態(tài)不一致提示畫面

圖5 控制系統(tǒng)的運行調試界面

圖6 控制系統(tǒng)的運行調試現(xiàn)場

7 系統(tǒng)調試

本文設計了基于三菱PLC和變頻協(xié)調控制的恒壓調速供水系統(tǒng)，采用恒速泵和調速泵的協(xié)調控制策略控制用戶管網的水壓。人機界面采用觸摸屏，利用MCGS軟件構建監(jiān)控和控制系統(tǒng)。調試結果顯示，該設計能有效提高供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，節(jié)水節(jié)電效果顯著。