一種基于PLC的供水系統(tǒng)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：張毅
1概述
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，供水系統(tǒng)也跨入了智能化時代。本文設(shè)計了一個基于PLC的供水系統(tǒng)，由A/D模塊輸入供水系統(tǒng)的流量、液位信息，通過PID算法進(jìn)行計算，再由D/A模塊輸出到變頻器來實現(xiàn)流速和液位的調(diào)節(jié)，并實時生成各個參數(shù)的趨勢曲線圖。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、操作簡單直觀、可長期連續(xù)在無人監(jiān)控下穩(wěn)定工作的優(yōu)點。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 系統(tǒng)要求
系統(tǒng)由1個下水箱對2個上水箱供水，在供水過程中能夠?qū)┧艿赖牧髁俊?個上水箱的液位共3個參量進(jìn)行控制，使這些值的實際值與設(shè)定值基本相等。
2.2 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)以PLC為核心單元，采集傳感器、按鈕盒等輸入信號，控制電動機(jī)、電磁閥、繼電器、指示燈等輸出。其中，傳感器的輸入信號經(jīng)A/D模塊傳給PLC，經(jīng)PLC進(jìn)行PID計算后通過D/A模塊轉(zhuǎn)換成模擬量送給變頻器，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也就是流速。此外，還設(shè)計了人機(jī)界面，提高了系統(tǒng)的可操作性與可視性。圖1為供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
3硬件設(shè)計
3.1 PLC
本系統(tǒng)采用三菱FX3U系列PLC為核心控制器。該PLC為三菱推出的新型PLC，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活且易于維護(hù)等特點。
3.2 A/D及D/A轉(zhuǎn)換模塊
本系統(tǒng)共有流速、上水箱1液位、上水箱2液位3個參量需進(jìn)行A/D采樣，故采用三菱公司4通道A/D轉(zhuǎn)換模塊FX-2N 4AD。該模塊的模擬量輸入范圍有（-10～10）V、（- 20～20）mA、(4～20) mA三種范圍可選。該系統(tǒng)僅需1個通道進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，控制變頻器的頻率，進(jìn)而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，故采用2通道D/A轉(zhuǎn)換模塊FX-2N 2DA。該模塊的模擬量輸出范圍有(O～l0)V、(4～20) mA兩種范圍可選。
3.3 變頻器
以下是三菱同期的三款主推變頻器，特性描述如下：
(1) FR-A700:閉環(huán)矢量控制、無傳感器矢量控制、先進(jìn)磁通矢量控制、V／F控制。
(2)FR-F700:簡單磁通矢量控制、V／F控制。
(3)FR-E700:通用磁通矢量控制、經(jīng)濟(jì)型。
本系統(tǒng)僅需要變頻器的基本功能，故選用經(jīng)濟(jì)型的FR-E700變頻器。
3.4 電泵
采用MG1018A-2P-601380電泵，額定功率為60 W，額定電壓為380 V，最大電流為4.2 A，最小電流為0. 45 A，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r／min。
3.5人機(jī)界面
采用三菱公司研發(fā)的人機(jī)界面GOT10 00，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實時更新的優(yōu)點，可實時顯示當(dāng)前PID參數(shù)值，并生成流量、液位參數(shù)的趨勢曲線圖。
3.6 傳感器
流量傳感器采用IFM公司的SI5004，測量范圍為(3～300) cm/s，對應(yīng)輸出為(4～20)mA，所測流量與輸出電流呈線性關(guān)系。兩個水箱的液位傳感器均采用北京港北中天科技有限公司的2100series，測量范圍為(0～50) cm，對應(yīng)輸出為(4～20) mA，所測液位與輸出電流成線性關(guān)系。
3.7 其他元件
除上述PLC、A/D及D/A轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、電動機(jī)和人機(jī)界面外，還采用了輔助電源、繼電器、中間繼電器、電磁閥和按鈕盒等元件，在此不再詳述。圖2為相應(yīng)的電氣原理圖。
4軟件設(shè)計
4.1 A/D及D/A轉(zhuǎn)換
本系統(tǒng)需要對流量和2個上水箱的液位共3個參量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用三菱公司的4通道A/D轉(zhuǎn)換模塊FX-2N 4AD。由于流量和液位傳感器都是以電流形式輸出，范圍為(4～20)mA，故我們也采用(4～20)mA范圍的電流輸入方式。
同樣，在使用三菱公司的2通道D/A轉(zhuǎn)換模塊
X-2N 2DA將PID計算數(shù)值結(jié)果輸出給變頻器時，也采用(4～20)mA范圍的電流輸出方式。
4.2 PID控制
系統(tǒng)采用PID算法使流量、液位保持與設(shè)定值基本一致。需要注意的是，PID的指令設(shè)定值及PID控制參數(shù)必須在指令執(zhí)行之前送人相關(guān)的存儲器，所以PID指令的初始化程序必須在執(zhí)行PID指令前完成。整個PID控制流程如圖3所示。以流量控制為例，首先進(jìn)行PID指令初始化，然后由流量傳感器將檢測的值傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后對流量設(shè)定值與流量采樣值進(jìn)行PID計算，計算結(jié)果由D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬量傳給變頻器，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是管道中的流量。如此連續(xù)運行，使實際值與設(shè)定值保持一致。液位的控制也類似。
4.3 組態(tài)控制
為方便對水箱系統(tǒng)的控制與監(jiān)控，還利用GT Designer3軟件設(shè)計了組態(tài)監(jiān)控畫面。組態(tài)畫面包括開機(jī)歡迎界面、控制界面、PID調(diào)節(jié)畫面、流量趨勢表、液位1趨勢表、液位2趨勢表共6個畫面，各個畫面間可以相互切換。圖4給出了部分組態(tài)界面的設(shè)計結(jié)果。
5實驗結(jié)果
按照以上方案搭建一套供水系統(tǒng)，系統(tǒng)實物圖如圖5所示。以該系統(tǒng)為平臺的實驗結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)流速實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在開機(jī)啟動后流速開始上升，達(dá)到設(shè)定值100 cm/s后有一定過沖，然后回落，最終與設(shè)定值基本相等。從圖6(b)可以看出，開機(jī)后液位1一直上升向設(shè)定值100 mm靠攏，最終達(dá)到設(shè)定值并保持與設(shè)定相等。從圖6(c)可以看出，開機(jī)后液位2-直上升向設(shè)定值100 mm靠攏，最終達(dá)到設(shè)定值并保持與設(shè)定相等。
6 總結(jié)
本文設(shè)計了以PLC為核心、可以實時調(diào)節(jié)流量和各上水箱液位的智能供水系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，硬件、軟件及組態(tài)設(shè)計結(jié)果，并按照設(shè)計方法搭建了一臺樣機(jī)，實驗結(jié)果證明了設(shè)計的有效性。
7摘要：設(shè)計了基于PLC的供水系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以及硬件、軟件和組態(tài)設(shè)計。實驗結(jié)果證明了設(shè)計的有效性。
