基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)的研究

1、摘要：本文主要針對(duì)當(dāng)前供水系統(tǒng)中存在的自動(dòng)化程度不高、能耗嚴(yán)重、可靠性低的缺點(diǎn)加以研究，開(kāi)發(fā)出一種新型的并在這三個(gè)方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。全文共分為四章。第一章介紹了基于PLC恒壓供水系統(tǒng)在小區(qū)中的應(yīng)用意義、建立了恒壓供水系統(tǒng)的控制原理框圖。第二章介紹PID調(diào)節(jié)概念及基本原理。第三章對(duì)基于三菱FX2N型PLC的恒壓變頻供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例做了詳細(xì)的描述,畫(huà)出了本系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)原理圖，包括主電路圖、控制電路圖、PLC系統(tǒng)外部接線圖和變頻器電氣原理圖。第四章是系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)部分。本設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了可編程控制器（PLC）傳感器等現(xiàn)代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關(guān)程序設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了

2、小區(qū)的恒壓供水。所做的研究對(duì)同類(lèi)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：可編程序控制器 變頻器 PID目 錄第一章 緒 論1第二章 PID調(diào)節(jié)概念及基本原理32.1 PID調(diào)節(jié)概述32.1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)32.2 PID控制的原理和特點(diǎn)42.2.1 PID控制的原理和特點(diǎn)的概念42.2.2 PID控制的分類(lèi)52.3 PID控制器的參數(shù)整定6第三章 三菱FX2N型PLC的恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例83.1系統(tǒng)的主要控制要求93.2系統(tǒng)的硬件選型93.2.1 系統(tǒng)的控制器- FX2n32MR103.2.2 系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出模塊103.2.3 變頻器FRA500103.2.4 壓力傳感

3、器TPT503113.3控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配113.3.1 PLC系統(tǒng)的選型133.4 恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)133.4.1 主電路圖133.4.2控制電路圖143.4.3 PLC系統(tǒng)外部接線圖15第四章 恒壓供水系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)174.1 系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)說(shuō)明及流程圖174.1.1初始化子程序174.1.2 定時(shí)中斷程序184.1.3 主程序194.2程序中使用的編程組件及其含義21第五章 總結(jié)23參考文獻(xiàn)24謝 辭25附錄： 控制系統(tǒng)的梯形圖程序26第一章 緒 論近年來(lái)我國(guó)中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998年，我國(guó)人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施

4、等非生產(chǎn)用水）有175.7升增加到241.1升，增長(zhǎng)了37.2%，與此同時(shí)我國(guó)城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時(shí)供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的達(dá)到目的。這種情況造成用水高峰期時(shí)水位達(dá)不到要求,供水壓力不足，用水低峰期時(shí)供水水位超標(biāo),壓力過(guò)高，不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患（例如壓力過(guò)高容易造成爆管事故）。要解決這些問(wèn)題，用基于PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水能實(shí)現(xiàn)。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由變頻器、泵組電機(jī)、供水管網(wǎng)、儲(chǔ)水箱、智能PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、PLC控

5、制單元等部分組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖1.1所示。圖1.1 控制系統(tǒng)原理圖其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時(shí)變頻器還可作為電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，限制電機(jī)的啟動(dòng)電流。壓力變送器的作用是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。智能PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的PID調(diào)節(jié)。PLC控制單元?jiǎng)t是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)還是變頻器的驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動(dòng)調(diào)整其它工頻泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。變頻器和PLC的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng), 消除了對(duì)電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)機(jī)電設(shè)備的使用壽命。 第二章 PID調(diào)節(jié)概念及基本原理2.1 PID

6、調(diào)節(jié)概述目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)

7、品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)

8、品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。2.1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)一、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴(lài)將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。二、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱(chēng)為負(fù)反饋( Negative Feedba

9、ck)，若極性相同，則稱(chēng)為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱(chēng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.2 PID控制的原理和特點(diǎn) 2.2.1 PID控制的原理和特點(diǎn)的概念在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它

10、以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 2.2.2 PID控制的分類(lèi)1、 比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例

11、控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 2、積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 3、微分

12、（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)

13、有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 2.3 PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比

14、例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。第三章 三菱FX2N型PLC的恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例本設(shè)計(jì)以三臺(tái)泵組構(gòu)成的生活/消防雙恒壓無(wú)塔供水泵站控制系統(tǒng)的實(shí)例。3此供水

15、泵站為雙恒壓供水系統(tǒng)，系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖4-1所示。消防用水生活用水市網(wǎng)自來(lái)水YV1 蓄水水池1#泵2#泵3#泵YV2SL-HSL-L圖3-1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖市網(wǎng)自來(lái)水用高低水位控制器EQ來(lái)控制注水閥YV1，自動(dòng)把水注滿蓄水水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水池注水。水池的高低水位信號(hào)也直接送給PLC，作為高/低水位報(bào)警。為了保證供水的連續(xù)性，水位的上下限傳感器高低相距距離較小。生活用水和消防用水共享三臺(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于斷電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)。三臺(tái)泵根據(jù)生活用水量的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，維持生活用水低恒壓值。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2通電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵供消防用水使

16、用，并維持消防用水的高恒壓值。火災(zāi)結(jié)束后，三臺(tái)泵再改為生活用水使用。3.1系統(tǒng)的主要控制要求對(duì)三臺(tái)泵生活/消防供水系統(tǒng)的基本要求是：（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)低恒壓運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)高恒壓運(yùn)行。（2）三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采取先開(kāi)先停的原則接入和退出。（3）在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h，則要切換下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有倒泵功能，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。（4）三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)都要有軟啟動(dòng)功能。（5）要有完善的報(bào)警功能。（6）對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。3.2系統(tǒng)的硬件選型在本系統(tǒng)中，水壓的恒定是對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和改變水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。壓力

17、傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力，輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，并相應(yīng)的輸出大小適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，該控制信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送給變頻器，對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，達(dá)到控制管網(wǎng)恒壓的目的。如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法進(jìn)一步改變，則通過(guò)改變水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)穩(wěn)定壓力。根據(jù)控制要求和控制規(guī)模的大小，本系統(tǒng)選用三菱FX系列小型PLC作為系統(tǒng)的控制器，模擬量輸入、輸出模塊選用FX2n4AD和FX2n2DA，變頻器選用三菱的FRA500系列，壓力傳感器則選用TPT503壓力傳感器。3.2.1 系統(tǒng)的控制器- FX2n32MR 三菱FX2n系列屬

18、于FX家族中高功能型的子系列，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展適當(dāng)?shù)奶厥夤δ苣K并使用PID指令，完全可以滿足對(duì)中等規(guī)模恒壓供水系統(tǒng)死循環(huán)模擬量的控制要求。根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)模和對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)的要求，系統(tǒng)的控制器選擇FX2n32MR(16點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，16點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出)。3.2.2 系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出模塊 1. 模擬量輸入模塊FX2n4AD的功能FX2n4AD模擬量輸入模塊具有四個(gè)信道，可同時(shí)接收并處理4路模擬量輸入信號(hào)，最大分辨率為12位。輸入信號(hào)可以是-10+10V的電壓信號(hào)（分辨率為5mV），也可以是420mA（分辨率為16uA）或-20+20mA（分辨率為20uA）的電流信號(hào)。2. 模擬量輸出模塊FX2n2D

19、A的功能FX2n2DA模擬量輸出模塊用來(lái)將12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流輸出。它具有2個(gè)仿真量輸出通道。這兩個(gè)通道都可以輸出010VDC（分辨率2.5mV）、05VDC（分辨率1.25mV）的電壓信號(hào)或420mA（分辨率為4uA）的電流信號(hào)。3.2.3 變頻器FRA500FRA500系列在三菱變頻器家族中屬于多功能、通用型、重負(fù)載適用的變頻器。其功率范圍為0.4800KW,采用先進(jìn)磁通向量控制方式，可實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá)1：120（0.560HZ）。隨機(jī)帶有一個(gè)簡(jiǎn)易操作面板。3.2.4 壓力傳感器TPT503TPT503壓力傳感采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及較好的

20、介質(zhì)兼容性。可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車(chē)輛制動(dòng)、樓宇供水等壓力測(cè)量與控制。TPT503壓力傳感的主要性能指針如下：量程：01-450MP；綜合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；輸出型式：420mA/05V/15V/010V;工作溫度：-1080-150；供電電壓：9；長(zhǎng)期穩(wěn)定性：./年;負(fù)載阻抗:電流型最大800，電壓型50K以上。3.3控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配根據(jù)上述控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(chēng),代碼及地址編號(hào)如下表4-1所示。水位上下限信號(hào)分別為X001，X002，它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為0，露出時(shí)為1。表3

21、-1輸入輸出點(diǎn)的代碼及地址編號(hào)名稱(chēng)代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)手動(dòng)和自動(dòng)消防信號(hào)SA1X000水池水位下限信號(hào)SL-LX001水池水位下限信號(hào)SL-HX002變頻器報(bào)警信號(hào)SUX003消鈴按鈕SB9X004試燈按鈕SB10X005壓力傳感器模擬量電流值Up模擬量輸入模塊1信道輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1,HL1Y0001#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2,HL2Y0012#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3,HL3Y0022#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4,HL4Y0033#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5,HL5Y0043#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6,HL6Y004生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥

22、YV2Y0010水池水位下限報(bào)警指示燈HL7Y0011變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Y0012火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9Y0013報(bào)警電鈴HAY0014變頻器頻率復(fù)位控制KAY0015控制變頻器頻率用電壓信號(hào)Vf模擬量輸出模塊電壓信道3.3.1 PLC系統(tǒng)的選型從上面分析可以知道，系統(tǒng)共有開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)、開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)12個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)一個(gè)、模擬量輸出點(diǎn)一個(gè)。選用三菱FX2n32MR一臺(tái)、加上一臺(tái)模擬量擴(kuò)展模塊FX2n4AD、一臺(tái)模擬量擴(kuò)展模塊FX2n2DA構(gòu)成系統(tǒng)。整個(gè)PLC如圖4-2所示。主機(jī)單元FX2n32MR模擬量輸入模塊FX2n4AD模擬量輸出模塊FX2n2DA主機(jī)單元FX2n32MR圖3-

23、2 PLC系統(tǒng)組成3.4 恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)原理圖主要包括主電路圖、控制電路圖、PLC系統(tǒng)外部接線圖和變頻器電氣原理圖。3.4.1 主電路圖系統(tǒng)電氣主電路圖如圖3-3所示：圖3-3 系統(tǒng)電氣主電路圖在主電路中1，M1M3分別為1號(hào)3號(hào)水泵的電動(dòng)機(jī)，控制三臺(tái)電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3的交流接觸器為KM1、KM3、 KM5和 KM2、 KM4、 KM6.前者控制1號(hào)3號(hào)水泵的電動(dòng)機(jī)在工頻下運(yùn)行，而后者則控制1號(hào)3號(hào)水泵的電動(dòng)機(jī)在變頻下運(yùn)行。FR1、FR2 、FR3分別為三臺(tái)水泵的電動(dòng)機(jī)熱繼電器。QS1、QS2 、QS3、QS4分別為變頻器和電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)。FU1為主電路

24、的熔斷器，UF為變頻器。首先由M1在變頻器UF控制下工作，當(dāng)用水量增大時(shí)，M1已經(jīng)達(dá)到額定頻率而水壓不足時(shí)，經(jīng)過(guò)短暫的延時(shí)后，將M1切換至工頻工作。同時(shí)，UF輸出頻率迅速降為0；然后是M2投入變頻運(yùn)行。當(dāng)2號(hào)水泵也達(dá)到額定頻率而水壓不足時(shí)，又使M2切換為工頻運(yùn)行，使M3投入變頻運(yùn)行。相反，當(dāng)用水量減少時(shí)，則一號(hào)水泵先退出，然后2號(hào)水泵一次退出工作，完成一次加減泵的循環(huán)。在補(bǔ)泵時(shí)，因水泵電動(dòng)機(jī)功率較大，不能直接啟動(dòng)，應(yīng)該將原變頻泵切換至工頻運(yùn)行，而用變頻器對(duì)所補(bǔ)的水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)，并控制其變頻運(yùn)行。3.4.2控制電路圖系統(tǒng)的控制電路圖如圖4圖3-4 系統(tǒng)控制電路圖在圖中，SA為手動(dòng)/自動(dòng)選擇

25、開(kāi)關(guān)，SA打在“1”的位置時(shí)為手動(dòng)狀態(tài)，打在“2” 的位置時(shí)為自動(dòng)狀態(tài)。手動(dòng)時(shí)，按壓按鈕SB1SB8可以控制三臺(tái)水泵的啟/停和電磁閥YV2的通斷，三臺(tái)水泵只能在工頻下運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程控下運(yùn)行。圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸點(diǎn)信號(hào)，由于PLC為4個(gè)輸出點(diǎn)為一組共享一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒(méi)有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的Y000Y005及Y010Y015為PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)。3.4.3 PLC系統(tǒng)外部接線圖PLC系統(tǒng)外部接線圖如4-5所示：圖3-5 PLC系統(tǒng)外部接線圖第四

26、章 恒壓供水系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)說(shuō)明及流程圖PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的軟件控制功能較多，模塊量單元及PID調(diào)節(jié)調(diào)用了初始化子程序及中斷程序。因此，整個(gè)程序主要分為三大部分，即初始化子程序、主程序、及中斷程序。4.1.1初始化子程序初始化子程序開(kāi)始傳送生活/消防頻率上、下限值傳送PID指令參數(shù)表數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)初始值復(fù)位PID指令輸出值數(shù)據(jù)寄存器設(shè)定FX2n4ADD 的工作模式子程序結(jié)束返回 系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。初始化子程序的流程圖，如圖5-1所示。在初始化的子程序中僅僅在上電和故障結(jié)束時(shí)用，其目的是大量節(jié)省掃描時(shí)間以加快整個(gè)程序的運(yùn)行效率，提高PID中斷的精

27、確度。通過(guò)初始化子程序，首先使用一系列的傳送指令，傳送用水頻率的上下限值，在傳送與PID調(diào)節(jié)指令參數(shù)表位元址相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器的初始值，然后復(fù)位PID輸出值數(shù)據(jù)寄存器，最后使用寫(xiě)入指令（TO）設(shè)定模擬輸入模塊FX2n4ADD 工作模式。圖4-1初始化子程序流程圖4.1.2 定時(shí)中斷程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)指令測(cè)量值的采樣及輸出值的控制，定時(shí)中斷程序的流程圖如圖5-2所示。定時(shí)中斷程序的作用主要是進(jìn)行PID控制的相應(yīng)計(jì)算，它在PLC的特殊輔助器M8000（運(yùn)行常為ON）觸點(diǎn)的作用下執(zhí)行。通過(guò)定時(shí)中斷程序，可以傳送PID指令調(diào)節(jié)結(jié)果輸出值，使用一系列的寫(xiě)入指令來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量輸出模塊FX2n2DA的D/A

28、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送（共12位數(shù)據(jù)，分低端8位和高端4位兩次傳送），保持D/A轉(zhuǎn)換的低端數(shù)據(jù)，啟動(dòng)信道1的D/A轉(zhuǎn)換等。在程序中，同時(shí)也編寫(xiě)了讀出模擬量輸入輸出模塊ID的識(shí)別號(hào)以確認(rèn)功能模塊信息的程序。定時(shí)中斷程序開(kāi)始傳送PID指令調(diào)節(jié)結(jié)果輸出值傳送FX2n2DA的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保持轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)啟動(dòng)FX2n2DA通道的1 D/A轉(zhuǎn)換中斷程序結(jié)束返回 圖4-2 定時(shí)中斷程序流程圖4.1.3 主程序Y調(diào)用初始化子程序，每99m調(diào)用定時(shí)中斷程序（含PID調(diào)節(jié)）傳送壓力給定值啟動(dòng)變頻泵泵號(hào)內(nèi)存變頻器頻率達(dá)到上限經(jīng)濾波延時(shí)后，仍達(dá)下限Y工頻泵號(hào)數(shù)加1變頻器頻率達(dá)到下限經(jīng)濾波延時(shí)后，仍達(dá)下限工頻泵號(hào)數(shù)減1開(kāi)始增泵或

29、倒泵時(shí)經(jīng)軟啟動(dòng)后關(guān)當(dāng)前泵，置下一泵變頻運(yùn)行變頻泵運(yùn)行達(dá)3小時(shí)1號(hào)3號(hào)泵變頻運(yùn)行控制1號(hào)3號(hào)泵工頻運(yùn)行控制故障報(bào)警處理及消鈴主程序結(jié)束NNYN圖4-3 主程序流程圖主程序流程圖如圖4-3所示。主程序?qū)崿F(xiàn)的功能最多，如泵的切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都在主程序中。生活及消防雙恒壓的二個(gè)恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的90%（滿量程數(shù)字值為4000）。本系統(tǒng)中的比例增益和時(shí)間常數(shù)為：比例增益Kp=0.25，采樣時(shí)間Ts=0.5s，積分時(shí)間T1=60s。（1）泵站泵組程序主要實(shí)現(xiàn)如下功能：1：由“恒壓”

30、要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量的管理。為了恒定水壓，那么在水壓降低時(shí)，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在一臺(tái)水泵不能滿足恒壓需求時(shí)，需要啟動(dòng)第二臺(tái)或第三臺(tái)水泵。這樣，有一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定是否需要啟動(dòng)新泵，即變頻器的輸出頻率是否達(dá)到所設(shè)定的頻率上限值。這一功能可以通過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)濾去偶然因素所引起的頻率波動(dòng)所達(dá)到的頻率上限值的情況，在程序中應(yīng)考慮采用時(shí)間濾波。2：多臺(tái)組泵站泵組的管理規(guī)范。由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，那么多臺(tái)組泵站泵組的投入運(yùn)行需要有一個(gè)管理規(guī)范。在本設(shè)計(jì)控制要求中規(guī)定任意的一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行不得超

31、過(guò)3小時(shí)，因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換變頻泵的時(shí)候，以新運(yùn)行泵為變頻是合理的。具體的操作是，將現(xiàn)運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并且接上工頻電源加以運(yùn)行，同時(shí)將變頻器復(fù)位并且用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，在本設(shè)計(jì)中采用的是泵號(hào)加1的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的循環(huán)控制，即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。（2）故障診斷和報(bào)警輸出程序。變頻器具有短路、超載等保護(hù)功能。當(dāng)變頻器所驅(qū)動(dòng)的水泵電機(jī)發(fā)生短路、超載等故障時(shí)，變頻器將自動(dòng)切斷一次供電電路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)把各故障點(diǎn)相應(yīng)的接觸器、斷路器等組件的輔助觸點(diǎn)接到PLC，PLC掃描輸入這些觸點(diǎn)的狀態(tài)，并通過(guò)PLC程序?qū)⑦@些狀態(tài)存放在隨機(jī)存儲(chǔ)區(qū)，再結(jié)合控制程序和設(shè)備預(yù)置狀態(tài)進(jìn)行邏輯分析，判斷設(shè)備或組件是否出了故障。如果發(fā)生故障，則切斷該泵接觸器的主觸點(diǎn)，然后對(duì)變頻器復(fù)位，再將備用水泵的接觸器主觸點(diǎn)接通，啟動(dòng)變頻器運(yùn)行備用泵，同時(shí)輸出該泵故障報(bào)警信號(hào)，如電動(dòng)機(jī)故障時(shí)指示燈亮等。4.2程序中使用的編程組件及其含義PLC程序中使用的編程組件及其含義如表5-1所示：表4-1編程組件號(hào)含義編程