某工廠基于PLC的恒壓供水系統設計

陳鵬 李歡

摘要：該設計對某廠區供水系統進行改造，采用三菱PLC作為主控單元。并充分利用變頻器的變頻作用，根據系統狀態可快速調整供水系統的供給需要，達到恒壓供水的目的。改造提高了系統的工作穩定性，得到了良好的控制效果。本論文根據某工廠的供水要求，設計了一套基于PLC的變頻調速恒壓供水系統，變頻恒壓供水系統由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器等構成。本系統包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環運行方式。采用變頻器實現對三相水泵電機的軟啟動和變頻調速，運行切換采用“先啟先停”的原則。壓力傳感器檢測當前水壓信號，送入PLC與設定值比較后進行PID運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電機的轉速來改變供水量，最終保持管網壓力穩定在設定值附近。對整個系統進行了運行調試，運行結果表明該系統具有水壓穩定、硬件組成簡單、運行可靠和操作方便等優點。

關鍵詞：恒壓供水;可編程控制器;變頻器

一、恒壓供水控制系統方案分析

此課題選用“恒壓變頻”的方式來進行設計，采用PI￡控制。

PLC是一種為“工業環境”下而專門設計出來的計算機，它采用了嚴格的制造工藝，能夠防粉塵、防噪聲，并且在強烈的空間磁場干擾下或者變化劇烈的環境溫度下仍然能夠穩定正常工作，故其具有非常大的運行可靠性。例如日本三菱設備公司制造的F系列PLC平均可靠運行時間高達30萬小時。同時相對于以為的單片機工亞控制系統中，使用PLC控制具有更大的靈活性，并且控制功能完善，安裝接線簡單等諸多特點，在工業控制中取得了非常廣泛的應用。從PLC的外部接線來說，使用PLC組成的恒壓供水控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點己減少到非常小的地步，發生故障的情況也就大大減少。

本課題的恒壓供水控制系統應根據供水過程中的各種控制信號和當時的運行狀態，根據省時、高效的原則，自動進行綜合分析，確定下一個工作狀態。為此，控制系統要求共有3臺水泵，要求2臺運行，1臺備用，運行與備用10天輪換一次;用水高峰時，1臺工頻全速運行，1臺變頻運行;用水低谷時，只需1臺變頻運行;

主控運行過程是，恒壓供水的PLC控制系統啟動，第一個周期內1#電機工頻運行，2#電機變頻運行，3#電機備用。PLC根據水壓上下限觸點的導通情況，來實現變頻電機的7段速度的選擇，每當水壓下限來臨，變頻器的頻率輸出增加，直至工頻電機與變頻電機滿負載運行。當第二個周期來臨，2#電機工頻運行，3#電機變頻運行，1#備用，工作狀態同上;以此類推，第三個周期3#電機工頻運行，1#電機變頻運行，2#備用。三個狀態的完成，周期為1個月，下一個月來臨時，重復上述步驟。

二、恒壓供水控制系統的硬件設計

（一）恒壓供水控制系統設備選型

由控制要求可知，該設計共計7個輸入點、11個輸出點，I/O實際需18點。為今后工藝改進與功能擴充留有余地，在實際統計I/O點數基礎上，一般加10-20%余量，再考慮PLC產品本身規格[1]，選擇FX-48MR-001型PLC，其I/O總點數為48點，即輸入與輸出各有24個接點，與其它PLC的比較，三菱PLC編程直觀易懂，并且其指令集豐富，故選用此型號的PLC控制器[2]。

（二）PLC輸入輸出接點分配

根據恒壓供水控制模型的輸入/輸出信號，分配FX—48MR型PLC輸入/輸出接點共為18個，I/O分配如表2-1[3]。

（-）PLC中內部觸點的分配

整個系統中，一共使用到了10個輔助繼電器M，2個定時器T，1個數據寄存器D和3個計數器C。PLC內部的每一個觸點的功能都見表2-2所示。

三、恒壓供水系統程序設計

（一）工變頻電機的滿載與防負壓運行

當一個周期內的工頻電機與變頻電機全部都在運行時，且此時的變頻電機己經處于45Hz的滿頻狀態，這個時候，變頻電機必須一直以此速度運行，并不能減速。故設定輔助繼電器M150在滿載時，限制水壓下限信號的再次觸發，以此實現持續滿載運行，否則變頻電機將處于持續的加速減速中，運行不可靠且不合要求。同時設定輔助繼電器M250為負壓保護控制，當用水低谷時，如果工廠使用的水壓非常低時，即使以1臺變頻電機在15Hz運行的時候，都己經滿足，這時候仍然不能將電機都關閉，所以設定M250，防止負壓的出現[4]。

（二）電機過載報警

此工程設計中一共有三臺電機組，每臺電機都有熱繼電器FR，即有FR1（X006），FR2（X007）和FR3（X008）。當某個熱繼電器因為過載而損壞時，電機會停止運行，且PLC會接收到熱繼電器的信號，常閉觸電斷開，驅動Y012線圈報警[5]。

四、控制系統程序的調試

（一）PLC外部電氣線路的初始檢查

PLC外圍電氣線路的接線，在接線中要注意：①電源端子不能接錯，②直流輸入端不能與電源端子之間發生短路連接，③輸出導線之間要有短路保護。因此，在接通電源之前，須檢查電源、接地及輸入/輸出接線的情況;在斷開電源情況下，可用萬用表檢測PLC的絕緣電阻。例如，可斷開PLC的輸入/輸出接線端和電源端，并通過各接線端和接地端中的公共點進行測試等。

（二）程序的校驗、讀/寫、執行和修改

PLC設備與上位計算機連接好后就能夠接通電源，在電腦上使用GX-Developer編程軟件編好的恒壓供水系統控制程序，可進行修改、檢驗，確定無語法等錯誤后，點擊編程軟件中“在線”，之后再點擊“PLC寫入”，這一步是將上位機中的程序寫入到PLC中，進行程序的模擬運行，若有控制錯誤，可點擊“監視模式”，觀察程序的哪個過程不符合邏輯，或者運行出錯，然后再點擊“寫入模式”，重新對程序進行修改編譯，直至程序能夠完整的實現控制要求。

（三）系統運行及調試

①PLC控制系統接通電源;

②將計算機中調試正確的程序寫入到PLC中，并執行;

③通過一步一步地觀察是否有相應動作的輸出信號，若對應的輸出信號有輸出，對應的指示，且在電腦屏幕中直觀的顯示出電機的運行狀態：若無信號指示，要檢查程序中對應的輸出線圈是否接通，若不通，繼續進行修改，若該線圈已接通，應檢查驅動的指示燈是否完好;若參數設定錯誤，必須立刻將參數重新設定，之后再將其重新下載并運行。

參考文獻：

[1]三菱電機自動化（中國）有限公司.FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC編程手冊.2005.

[2]黃宋魏，皺金慧.電氣控制與PLC應用技術[D].北京：電子工業出版社，2010，7.

[3]張運剛，宋小春，郭武強·從入門到精通—三菱FX2N PLC技術與應用[D].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]李明.電機與電力拖動[D].北京：電子土業出版社，2002.

[5]周力，張龍.電力與拖動基礎[D].北京：中國鐵道出版社，2006.