某工厂基于PLC的恒压供水系统设计

陈鹏 李欢

摘要：该设计对某厂区供水系统进行改造，采用三菱PLC作为主控单元。并充分利用变频器的变频作用，根据系统状态可快速调整供水系统的供给需要，达到恒压供水的目的。改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。本论文根据某工厂的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统，变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。对整个系统进行了运行调试，运行结果表明该系统具有水压稳定、硬件组成简单、运行可靠和操作方便等优点。

关键词：恒压供水;可编程控制器;变频器

一、恒压供水控制系统方案分析

此课题选用“恒压变频”的方式来进行设计，采用PI￡控制。

PLC是一种为“工业环境”下而专门设计出来的计算机，它采用了严格的制造工艺，能够防粉尘、防噪声，并且在强烈的空间磁场干扰下或者变化剧烈的环境温度下仍然能够稳定正常工作，故其具有非常大的运行可靠性。例如日本三菱设备公司制造的F系列PLC平均可靠运行时间高达30万小时。同时相对于以为的单片机工亚控制系统中，使用PLC控制具有更大的灵活性，并且控制功能完善，安装接线简单等诸多特点，在工业控制中取得了非常广泛的应用。从PLC的外部接线来说，使用PLC组成的恒压供水控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点己减少到非常小的地步，发生故障的情况也就大大减少。

本课题的恒压供水控制系统应根据供水过程中的各种控制信号和当时的运行状态，根据省时、高效的原则，自动进行综合分析，确定下一个工作状态。为此，控制系统要求共有3台水泵，要求2台运行，1台备用，运行与备用10天轮换一次;用水高峰时，1台工频全速运行，1台变频运行;用水低谷时，只需1台变频运行;

主控运行过程是，恒压供水的PLC控制系统启动，第一个周期内1#电机工频运行，2#电机变频运行，3#电机备用。PLC根据水压上下限触点的导通情况，来实现变频电机的7段速度的选择，每当水压下限来临，变频器的频率输出增加，直至工频电机与变频电机满负载运行。当第二个周期来临，2#电机工频运行，3#电机变频运行，1#备用，工作状态同上;以此类推，第三个周期3#电机工频运行，1#电机变频运行，2#备用。三个状态的完成，周期为1个月，下一个月来临时，重复上述步骤。

二、恒压供水控制系统的硬件设计

（一）恒压供水控制系统设备选型

由控制要求可知，该设计共计7个输入点、11个输出点，I/O实际需18点。为今后工艺改进与功能扩充留有余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20%余量，再考虑PLC产品本身规格[1]，选择FX-48MR-001型PLC，其I/O总点数为48点，即输入与输出各有24个接点，与其它PLC的比较，三菱PLC编程直观易懂，并且其指令集丰富，故选用此型号的PLC控制器[2]。

（二）PLC输入输出接点分配

根据恒压供水控制模型的输入/输出信号，分配FX—48MR型PLC输入/输出接点共为18个，I/O分配如表2-1[3]。

（-）PLC中内部触点的分配

整个系统中，一共使用到了10个辅助继电器M，2个定时器T，1个数据寄存器D和3个计数器C。PLC内部的每一个触点的功能都见表2-2所示。

三、恒压供水系统程序设计

（一）工变频电机的满载与防负压运行

当一个周期内的工频电机与变频电机全部都在运行时，且此时的变频电机己经处于45Hz的满频状态，这个时候，变频电机必须一直以此速度运行，并不能减速。故设定辅助继电器M150在满载时，限制水压下限信号的再次触发，以此实现持续满载运行，否则变频电机将处于持续的加速减速中，运行不可靠且不合要求。同时设定辅助继电器M250为负压保护控制，当用水低谷时，如果工厂使用的水压非常低时，即使以1台变频电机在15Hz运行的时候，都己经满足，这时候仍然不能将电机都关闭，所以设定M250，防止负压的出现[4]。

（二）电机过载报警

此工程设计中一共有三台电机组，每台电机都有热继电器FR，即有FR1（X006），FR2（X007）和FR3（X008）。当某个热继电器因为过载而损坏时，电机会停止运行，且PLC会接收到热继电器的信号，常闭触电断开，驱动Y012线圈报警[5]。

四、控制系统程序的调试

（一）PLC外部电气线路的初始检查

PLC外围电气线路的接线，在接线中要注意：①电源端子不能接错，②直流输入端不能与电源端子之间发生短路连接，③输出导线之间要有短路保护。因此，在接通电源之前，须检查电源、接地及输入/输出接线的情况;在断开电源情况下，可用万用表检测PLC的绝缘电阻。例如，可断开PLC的输入/输出接线端和电源端，并通过各接线端和接地端中的公共點进行测试等。

（二）程序的校验、读/写、执行和修改

PLC设备与上位计算机连接好后就能够接通电源，在电脑上使用GX-Developer编程软件编好的恒压供水系统控制程序，可进行修改、检验，确定无语法等错误后，点击编程软件中“在线”，之后再点击“PLC写入”，这一步是将上位机中的程序写入到PLC中，进行程序的模拟运行，若有控制错误，可点击“监视模式”，观察程序的哪个过程不符合逻辑，或者运行出错，然后再点击“写入模式”，重新对程序进行修改编译，直至程序能够完整的实现控制要求。

（三）系统运行及调试

①PLC控制系统接通电源;

②将计算机中调试正确的程序写入到PLC中，并执行;

③通过一步一步地观察是否有相应动作的输出信号，若对应的输出信号有输出，对应的指示，且在电脑屏幕中直观的显示出电机的运行状态：若无信号指示，要检查程序中对应的输出线圈是否接通，若不通，继续进行修改，若该线圈已接通，应检查驱动的指示灯是否完好;若参数设定错误，必须立刻将参数重新设定，之后再将其重新下载并运行。

参考文献：

[1]三菱电机自动化（中国）有限公司.FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC编程手册.2005.

[2]黄宋魏，皱金慧.电气控制与PLC应用技术[D].北京：电子工业出版社，2010，7.

[3]张运刚，宋小春，郭武强·从入门到精通—三菱FX2N PLC技术与应用[D].北京：人民邮电出版社，2007.

[4]李明.电机与电力拖动[D].北京：电子土业出版社，2002.

[5]周力，张龙.电力与拖动基础[D].北京：中国铁道出版社，2006.