工業(yè)中基于plc恒壓供水系統(tǒng)中水泵切換及變頻控制設(shè)計

豐良超

摘要：伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)工業(yè)取得顯著成效，供水量增加。運用變頻器和 PLC技術(shù)完成恒壓供水，以此來提高供水質(zhì)量，節(jié)省能源。而之所以采取變頻調(diào)速是為恒定用水管道的壓力，從而實現(xiàn)節(jié)能，為保證流量可以符合實際情況?，F(xiàn)如今，傳統(tǒng)供水系統(tǒng)被變頻恒壓供水系統(tǒng)代替，并被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。實際上，在變頻改造傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的過程中，經(jīng)常會面臨諸多問題。因而，需要運用PLC技術(shù)，減少手動操作，取代部分繼電器為降低機械觸點出現(xiàn)故障的概率，提升高效性、實用性。該文對工業(yè)中基于PLC恒壓供水系統(tǒng)中水泵切換和變頻控制設(shè)計進行研究和分析。

關(guān)鍵詞：水泵切換;變頻控制設(shè)計;研究;分析

PLC融合了自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)等優(yōu)勢，作為一種現(xiàn)代化工業(yè)控制裝置，一度發(fā)展成為工業(yè)自動化支柱，具有以下特征：抗干擾性能強、高效性、便于設(shè)計、維護花費時間少、靈活性強、功能健全、適用性強、消耗小、易于開發(fā)等。和繼電器、接觸器比較而言，占位空間小，容易變更程序，而且還便于維護，直接傳輸數(shù)據(jù)。由此可見，基于PLC恒壓供水系統(tǒng)中的變頻控制設(shè)計、水泵切換，能有效促進工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，對研究自動控制領(lǐng)域具有指導(dǎo)意義。

1恒壓供水系統(tǒng)的組成

通常情況下，恒壓供水泵站需配備數(shù)個水泵和電機，相比安裝單臺水泵更為可靠。當(dāng)配置單臺電機、水泵時，要求大功率，若是水量較少，開大電機必然浪費資源;相反，若是電機小用水量大，則無法保證供水。加之，水泵和電機需要被維修，故備用毋庸置疑。恒壓供水是為恒定管網(wǎng)的水壓，而水泵電機的轉(zhuǎn)速則會隨著水量不斷發(fā)展變化，所以，需要采用變頻器進行供電[1]。有以下兩種配置方案：第一種，為每臺水泵電機配套變頻器，相對方便，即電機和變頻器之間不需要切換，只不過費用高。第二種，幾個電機配置一臺變頻器，且能和電機能隨意轉(zhuǎn)換，當(dāng)供水正常時，一個水泵順利變頻啟動，另外水泵工頻工作，確保用水量滿足要求。

其中，調(diào)節(jié)器作為一種控制裝置，具備多種作用：（1）恒定水管壓力的給定值。依照水壓高低設(shè)置。一般來說，供水路程遠(yuǎn)，用水高度愈高，系統(tǒng)需要的壓力越大。給定值是指系統(tǒng)順利工作時的恒壓值。（2）獲取傳感器的數(shù)值。管網(wǎng)實測水壓主要是為回送至控制泵站的裝置，至于反饋接收點主要為調(diào)節(jié)器。（3）結(jié)合結(jié)定值和實測值，依照調(diào)節(jié)規(guī)律，及時發(fā)送出調(diào)節(jié)信號。當(dāng)調(diào)節(jié)器接收到反饋信號以后，會和結(jié)定值相比，從而獲得結(jié)定值和實測值的差。假如給定位超過實際值，表明系統(tǒng)水壓和理想水壓存在差距，若是提高水泵電機的轉(zhuǎn)速，水壓超過既定水壓，需適當(dāng)控制其轉(zhuǎn)速。上述大多是由輸出信號來控制[2]。為進一步提升系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)重視調(diào)節(jié)規(guī)律問題，過去調(diào)節(jié)器主要依照比例-積分-微分的形式展開調(diào)節(jié)，即PID調(diào)節(jié)器。關(guān)于調(diào)節(jié)參數(shù)，例如P、I、D等參數(shù)都是由操作人員借助觸摸屏來進行設(shè)定。當(dāng)然，PID調(diào)節(jié)期間，需要觀察調(diào)節(jié)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常有兩大類，分別為數(shù)字式調(diào)節(jié)、模擬量調(diào)節(jié)，并將微計算機當(dāng)成關(guān)鍵調(diào)節(jié)器的數(shù)字式調(diào)節(jié)。

輸出信號主要為模擬信號，4-20mA之間變化的電流信號、0-8V之間變化的電壓信號。信號量值和差值構(gòu)成比例關(guān)系，大多用來驅(qū)動運行設(shè)備。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，運行設(shè)備主要為變頻器。

2 PLC功能選取和運用

2.1PLC模擬量拓展單元的配置

由于普通PLC的輸入輸出端口都為開關(guān)量處理端口，為及時處理模擬量，大多采取整體式PLC和模擬量拓展單元相結(jié)合的方法。這是因為模擬量拓展單元能將外部模擬量轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)字量和模擬量[3]。當(dāng)然，拓展單元可被用來轉(zhuǎn)換模/數(shù)，或者是單獨被用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換，但兼顧數(shù)/模、模/數(shù)等功能。以下重點介紹FX2NPLC模擬量模塊，包含F(xiàn)X2N-4AD、FX2N-2DA，主要被應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中。

2.2模擬量輸入模塊的功能和PLC連接

由于上述模擬量輸入模塊擁有四個通道，能一同處理4路輸入信號，分辨率為10位。輸入信號為-10—+10v電壓信號或者-20—+20mA電流信號。另外，輸入信號還能借助雙絞屏蔽電纜接入，如圖1所示，若是輸入電流，應(yīng)短接V+端和l+端。

2.3BFM分配

為滿足各方面的要求，通常將模擬量處理模塊設(shè)置為可編程。FX2N-4AD運用BFM完成編程。其中，模擬量輸入模塊總共具有30個緩沖存儲器，當(dāng)前已利用21個[4]。

2.4模擬量輸出模塊的功能和PLC連接

FX2N-4AD可以將10位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電流輸出。擁有2個輸出通道，且能輸出分辨率為2.5mV、1.25mV的電壓信號。此外，還能借助驅(qū)動負(fù)載連接，可若是輸出電壓時，應(yīng)短接IOUT與COM端。

3系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)要求

（1）在恒壓供水系統(tǒng)中，總共有兩臺供水水泵，用于運行和備用，自動運行期間，只要一超過10個小時，便自動切換至備用泵，實施一次輪換，且手動時無需切換;（2）上述水泵由M1、M2電機拖動，接觸器KM1、KM2控制;（3）轉(zhuǎn)換以后應(yīng)快速運行或停止3S報警，一旦運行泵出現(xiàn)異常，便會主動切換至備用泵，然后報警;（4）設(shè)定的水壓一般處于0-100MPa之間，并借助觸摸屏進行調(diào)節(jié);（5）觸摸屏?xí)r，通常展現(xiàn)恒定水壓、實際水壓、水泵工作時間以及電機轉(zhuǎn)速[5]。

3.2控制系統(tǒng)的I/O分配

將系統(tǒng)內(nèi)全部輸入與輸出信號展開編址，總共包含6個輸入信號，11個輸出信號，具體如表1所示。

3.3電氣控制系統(tǒng)原理圖

電氣控制原理圖包含主電路圖和控制電路圖。

3.3.1主電路圖

圖2為主電路圖。MI、M2代表兩臺電機，KM1、KM2代表接觸器，主要用來控制電機;FR1、FR2代表熱繼電器;QS1、QS2分別代表變頻器與主電路隔離開關(guān)。

3.3.2控制電路

當(dāng)觸摸手動按鈕時，會進入手動模式;點擊觸摸屏，進入自動畫面。等完全進入上述畫面以后，能順利控制電機的運行，而且還能調(diào)節(jié)水壓高低。當(dāng)進入自動畫面以后，基于PLC程序正常運行。（1）手動運行。當(dāng)按下啟動或暫停按鈕時，依照需求控制水泵的啟動和停止。此種方法一般用來檢修變頻器是否出現(xiàn)問題。（2）自動運行[6]。當(dāng)合上自動開關(guān)時，按下自動按鈕，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率開始升高，而調(diào)節(jié)程序也會獲取傳感器信號，和給定壓力參數(shù)相比，并將調(diào)節(jié)參數(shù)輸送給變頻器，若是壓力不足，變頻器會慢慢上升頻率直到給定值，然后加泵類推;假如用水量降低，水泵速度減慢，依照PID調(diào)節(jié)器來穩(wěn)定系統(tǒng)。若是電源斷電，表明系統(tǒng)已停機;等電源恢復(fù)以后，系統(tǒng)便正常工作，此時，只需啟動1#泵變頻，直到給定水壓值正常運行即可。

3.4設(shè)置變頻器參數(shù)

（1）上限頻率pr1=30hz;（2）下線頻率pr2=50hz;（3）基底頻率pr3=30hz;（4）變頻器輸出功率pr5=15;（5）加速時間pr7=2s;（6）減速時間Pr8=2s;（7）電子過流保護pr9=30A;（8）啟動頻率pr13=12hz;（9）節(jié)能模式pr60=5;（10）設(shè)定端子之間的頻率設(shè)定電壓為0-10v，pr73=2;（11）默認(rèn)全部參數(shù)的讀/寫pr160=5;（12）操作模式pr79=3。

3.5系統(tǒng)程序設(shè)計

當(dāng)硬件連接被明確后，系統(tǒng)控制功能通常借助軟件來控制泵站，設(shè)計如下：（1）PLC程序

3.6系統(tǒng)調(diào)試

（1）將rs232接口和計算機相連，重點是rs422接口和plc編程接口的連接。（2）依照觸摸屏畫面與plc程序，將其傳送給plc。（3）關(guān)閉plc運行開關(guān)，程序顯示為監(jiān)視狀態(tài)，按下觸摸屏按鈕，了解程序觸點的動作情況，若是動作不符合要求，應(yīng)立即檢查觸摸屏的屬性與程序。（4）系統(tǒng)時間必須正確。（5）更改觸摸屏輸入值，認(rèn)真觀察寄存器值的變化情況[7]。（6）依照示意圖將I/O線路、控制電路、主電路等連接好。（7）水壓設(shè)定為0.4mpa。（8）假如手動啟動時，設(shè)備必須正常運行，檢查變頻器的輸出頻率是否穩(wěn)定，避免實際水壓和設(shè)定水壓之間出現(xiàn)偏差。（9）假如水壓的設(shè)定值山下波動，必須立即調(diào)節(jié)，尤其是微分參數(shù)，應(yīng)設(shè)定小，并適當(dāng)加大積分參數(shù)值。若是調(diào)整緩慢，水壓上下偏差加大，且系統(tǒng)比例常數(shù)同樣增大，故應(yīng)合理減小[8]。（10）檢測其他功能是否滿足控制要求。

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