基于三菱PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)地不斷發(fā)展，隨著變頻技術(shù)越來越成熟地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，一種由計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，能自動(dòng)根據(jù)用水量及時(shí)做出快速響應(yīng)，具有效率高、穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，目前己逐漸取代傳統(tǒng)供水方式，成為城市供水的重要組成部分。本文基于三菱PLC控制設(shè)計(jì)了一個(gè)恒壓供水控制系統(tǒng)，共分為兩個(gè)部分，分別是恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)硬件的選擇和恒壓供水系統(tǒng)的電路進(jìn)行了研究，軟件設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)控制程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的恒壓供水。關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；控制系統(tǒng)目錄摘要 I1恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11.1系統(tǒng)硬件的選擇 11.1.2PLC的選擇 11.1.2變頻器的選擇 11.1.3壓力變送器的選擇 11.1.4液位開關(guān)的選擇 11.2恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 21.2.1主電路接線圖 21.2.2變頻器接線圖 31.2.3系統(tǒng)控制電路接線圖 42恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 52.1恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 52.2系統(tǒng)控制主程序分析 52.3系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) 6總結(jié) 10參考文獻(xiàn) 11在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水壓力不足或短時(shí)間斷水，可能會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓變頻供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。采用PLC控制的恒壓變頻系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，且對(duì)水泵、電機(jī)也起到了很好的保護(hù)作用，維護(hù)方便，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)硬件的選擇1.1.2PLC的選擇根據(jù)我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)實(shí)際需要的開關(guān)量和模擬量端子數(shù)量，并為以后預(yù)留一定的擴(kuò)容能力，我們選用三菱FX2N-64MR型號(hào)，它具有32點(diǎn)的輸出能力，輸出的形式是繼電器輸出；32點(diǎn)開關(guān)量輸入。由于我們選擇將系統(tǒng)水壓模擬信號(hào)直接輸入變頻器，由PLC控制變頻器進(jìn)而控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，所以不需要選擇PLC模擬量特殊功能模塊。1.1.2變頻器的選擇根據(jù)需要我們選擇最適合的三菱F740變頻器。它擁有很高的可靠性和很強(qiáng)的輸出能力。此外，還具有很全面的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。1.1.3壓力變送器的選擇選擇DEC-208壓力變送器，該變送器體積小、穩(wěn)定性好、應(yīng)用廣泛、不銹鋼閥體無污染。變送器的具體型號(hào)是DEC-208DIERA型，該型號(hào)代表改變送器是普通非防爆型，具體的量程范圍是0~0.5MPa，精度等級(jí)達(dá)到了0.l%，輸出方式是4~20mA，具有連接接口是標(biāo)準(zhǔn)接口，絕壓測量型1.1.4液位開關(guān)的選擇選擇DEC-61KB液位開關(guān)，該液位開關(guān)可以將液位信息以常開觸點(diǎn)的形式上傳，并且使用不銹鋼探頭材料不會(huì)造成污染，并且對(duì)工作環(huán)境溫度和壓力耐受范圍都比較寬泛。1.2恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)1.2.1主電路接線圖恒壓供水系統(tǒng)主電路接線圖如下所示，接線圖中使用的電路元器件列表和作用如下所述。標(biāo)示代號(hào)M代表的是水泵電機(jī)，編號(hào)為1，2，3號(hào)的電機(jī)分別用來拖動(dòng)編號(hào)1，2，3的水泵。標(biāo)示代號(hào)FU代表的是主電路的過流保護(hù)器。標(biāo)示代號(hào)KM代表的是交流接觸器，編號(hào)為0，2，4號(hào)的交流接觸器分別控制編號(hào)1，2，3號(hào)的電機(jī)做工頻運(yùn)行。編號(hào)為1，3，5號(hào)的交流接觸器分別控制編號(hào)為1；2，3號(hào)的電機(jī)做變頻運(yùn)行。標(biāo)示代號(hào)FR代表的是熱過載繼電器，編號(hào)為1，2，3號(hào)的熱過載繼電器分別為3臺(tái)水泵電機(jī)做過載保護(hù)。標(biāo)示代號(hào)QS代表的是隔離開關(guān)，作為系統(tǒng)的主電路隔離開關(guān)。圖1-1主電路接線圖整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力電源經(jīng)由過流保護(hù)器FU，隔離開關(guān)QS連接到F700變頻器的輸入端，變頻器的輸出端經(jīng)由交流接觸器分別連接到編號(hào)為1，2，3號(hào)的電機(jī)。1.2.2變頻器接線圖圖1-2變頻器接線圖變頻器具體參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)置PR.190=14，變頻器對(duì)應(yīng)端子是RUN端子，即PID控制上限時(shí)輸出一個(gè)信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到0.35MPa時(shí)，通過RUN端子給PLC的X6端子一個(gè)信號(hào)。PR.191=15，變頻器對(duì)應(yīng)端子是SU端子，即PID控制下限時(shí)輸出一個(gè)信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到0.25MPa時(shí)，通過SU端子給PLC的X10端子一個(gè)信號(hào)。PR.192=5，變頻器對(duì)應(yīng)端子是IPF，作為系統(tǒng)頻率下限輸出檢測，輸出達(dá)到頻率下限30Hz（參數(shù)PR.50）的時(shí)候給PLC的X7端子一個(gè)信號(hào)。PR.194=4，變頻器對(duì)應(yīng)端子是FU端子，作為系統(tǒng)頻率上限輸出檢測，輸出達(dá)到頻率上限49Hz（參數(shù)PR.42）的時(shí)候給PLC的X5端子一個(gè)信號(hào)。1.2.3系統(tǒng)控制電路接線圖圖1-3系統(tǒng)控制電路SBes是系統(tǒng)的急停按鈕。SA1是系統(tǒng)上電開關(guān)。設(shè)計(jì)將SA2作為控制手動(dòng)模式/自動(dòng)模式的開關(guān)，將SA2選擇開關(guān)置于“手動(dòng)”是選擇手動(dòng)運(yùn)行模式；置于“自動(dòng)”是選擇自動(dòng)運(yùn)行模式。標(biāo)示代號(hào)HL30是自動(dòng)模式指示燈，標(biāo)示代號(hào)HL31是手動(dòng)模式指示燈。選擇系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)模式控制，可使用1~3號(hào)工頻/變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)分別控制3臺(tái)水泵的工頻/變頻運(yùn)行。選擇自動(dòng)模式控制時(shí)，系統(tǒng)將服從于PLC程序控制，根據(jù)參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)狀態(tài)變換自動(dòng)運(yùn)行，不需要人工值守操作。Y0~Y5是PLC輸出繼電器觸點(diǎn)。2恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析（1）水泵控制過程分析設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)最重要的一個(gè)指標(biāo)是供水水壓穩(wěn)定，在系統(tǒng)用水量增大、水壓下降時(shí)，要增加變頻器輸出頻率，如果僅僅一臺(tái)水泵運(yùn)行還不能滿足用水量的需求，那就需要啟動(dòng)第二臺(tái)水泵進(jìn)入運(yùn)行，如果兩臺(tái)水泵還不能滿足用水量的需求，那還需要系統(tǒng)繼續(xù)啟動(dòng)第三臺(tái)水泵進(jìn)入運(yùn)行。在系統(tǒng)用水量減少時(shí)，如果是有超過一臺(tái)水泵運(yùn)行的情況，原則是先關(guān)閉正工頻運(yùn)行的水泵，仍然超過系統(tǒng)控制的要求的，則繼續(xù)降低變頻器輸出頻率，直至達(dá)到輸出頻率下限，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。（2）水泵控制策略分析本設(shè)計(jì)系統(tǒng)水泵的運(yùn)行采用循環(huán)控制工作模式，水泵在長時(shí)間運(yùn)行時(shí)采用累計(jì)計(jì)時(shí)自動(dòng)倒泵功能。原則是如果某臺(tái)水泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)到4小時(shí)，PLC程序?qū)⒖刂瓢蚜硪慌_(tái)閑置水泵調(diào)入運(yùn)轉(zhuǎn)，累計(jì)計(jì)時(shí)倒泵可以避免某臺(tái)泵長時(shí)間運(yùn)行，起到保護(hù)和延長泵使用壽命的作用。程序判斷是否需要增加/減少泵運(yùn)行的條件是變頻器頻率是否達(dá)到設(shè)定的49Hz/30Hz這個(gè)設(shè)置值，為了確保判斷限值的準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)置了10秒鐘的延時(shí)程序。2.2系統(tǒng)控制主程序分析PLC程序主要有初始化功能模塊、水泵變頻/工頻切換功能模塊、輸出頻率上/下限判斷功能模塊、電機(jī)切換功能模塊和報(bào)警功能模塊等。（1）系統(tǒng)初始化功能PLC上電運(yùn)行后，第一步的工作是需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，也就是上電啟動(dòng)后先檢測系統(tǒng)的各部分狀態(tài)，檢查狀態(tài)一切正常后對(duì)一系列參數(shù)進(jìn)行初始化賦值，并通過相應(yīng)指示燈顯示系統(tǒng)各部分的狀態(tài)。（2）水泵變頻運(yùn)行程序功能例1：當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)、1號(hào)泵從變頻器處得到啟動(dòng)信號(hào)后，而且同時(shí)滿足系統(tǒng)無故障信號(hào)、1號(hào)泵未運(yùn)行在工頻時(shí)，軟元件Y001輸出置1，輸出端子Y1接通，KM1接觸器接通，變頻器使編號(hào)1泵做變頻運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)KM1與KMO的互鎖。例2：當(dāng)變頻器給1號(hào)泵信號(hào)至變頻輸出上限49Hz仍未滿足系統(tǒng)要求時(shí)，PLC將切換編號(hào)1泵進(jìn)入工頻工作，將編號(hào)2泵調(diào)入變頻工作狀態(tài)。變頻器先降速到0，在滿足FR2的X3輸入為0時(shí)，編號(hào)2泵進(jìn)入變頻運(yùn)行工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)KM2與KM3互鎖。（3）水泵工頻運(yùn)行程序功能例如：當(dāng)1號(hào)泵變頻運(yùn)行至49Hz這個(gè)上限時(shí)，仍未滿足系統(tǒng)用水需要，變頻器把1號(hào)泵切換為工頻工作，變頻器降速并把變頻運(yùn)行信號(hào)給2號(hào)泵，則Y000輸出置1，PLC的Yl端子得電接通，KMO線圈接通，編號(hào)1水泵做工頻運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)KMO與KM1的互鎖。（4）增/減泵判斷功能當(dāng)變頻器輸出到達(dá)上限頻率49Hz（或到達(dá)下限頻率30Hz）時(shí)，程序延時(shí)10秒鐘（消除干擾波動(dòng)信號(hào)）后，系統(tǒng)仍然滿足增/減條件，工頻泵運(yùn)行數(shù)量加1（或減1），變頻器輸出相應(yīng)編號(hào)水泵的變頻啟動(dòng)或停止信號(hào)。（5）故障及報(bào)警程序功能設(shè)計(jì)中的若干指示燈：水泵熱繼電器報(bào)警指示燈、相序保護(hù)指示燈、緩沖罐液面低限指示燈等。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，PLC輸出對(duì)應(yīng)信號(hào)亮起對(duì)應(yīng)指示燈。2.3系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，水泵運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、手動(dòng)/自動(dòng)模式信號(hào)、實(shí)時(shí)液位信號(hào)、變頻器狀態(tài)信號(hào)被傳到PLC；用水管網(wǎng)實(shí)時(shí)水壓信號(hào)經(jīng)壓力變送器變換送到變頻器，總體上由PLC控制變頻器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。變頻器輸出上限/下限頻率分別設(shè)置為49Hz和30Hz；PID控制目標(biāo)值設(shè)置為60%，運(yùn)行的上下限分別設(shè)置為70%和50%。3總結(jié)本系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：1、采用了可靠性高、使用簡單、編程靈活的工控設(shè)備PLC和內(nèi)置PID調(diào)節(jié)模塊的變頻器作為主要控制設(shè)備，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，確保恒壓供水。2、系統(tǒng)具有完備的故障處理能力，可通過自動(dòng)工頻運(yùn)行、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和現(xiàn)場手動(dòng)控制等方式確保供水。3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)和PLC的有效結(jié)合，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理能力，具有先進(jìn)性。4