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黄石市自来水公司--基于PLC的供水系统设计

作者:管理员时间:2017-08-10 15:46:34浏览:

1 概述
 
随着工业技术的发展,供水系统也跨入了智能化时代。本文设计了一个基于PLC的供水系统,由A/ D模块输入供水系统的流量、液位信息,通过PID算法进行计算,再由D/A模块输出到变频器来实现流速和液位的调节,并实时生成各个参数的趋势曲线图。该系统具有结构简单、安装方便、操作简单直观、可长期连续在无人监控下稳定工作的优点。
 
2 系统结构设计
 
2.1 系统要求
 
系统由1个下水箱对2个上水箱供水,在供水过程中能够对供水管道的流量、2个上水箱的液位共3个参量进行控制,使这些值的实际值与设定值基本相等。
 
2.2 系统设计
 
系统以PLC为核心单元,采集传感器、按钮盒等输入信号,控制电动机、电磁阀、继电器、指示灯等输出。其中,传感器的输入信号经A/D模块传给PLC,经PLC进行PID计算后通过D/A模块转换成模拟量送给变频器,从而控制电动机的转速也就是流速。此外,还设计了人机界面,提高了系统的可操作性与可视性。图1为供水系统结构图。

 

 

 

 

 

图1 供水系统结构图

 

3 硬件设计
 
3.1 PLC
 
本系统采用三菱FX3U系列PLC为核心控制器。该PLC为三菱推出的新型PLC,具有扩展性强、结构简单、使用灵活且易于维护等特点。
 
3.2 A/D及D/A转换模块
 
本系统共有流速、上水箱1液位、上水箱2液位3个参量需进行A/D采样,故采用三菱公司4通道A/ D转换模块FX-2N4AD。该模块的模拟量输入范围有(-10~10)V、(-20~20)mA、(4~20)mA三种范围可选。该系统仅需1个通道进行D/A转换,控制变频器的频率,进而控制电动机的转速,故采用2通道D/A转换模块FX-2N2DA。该模块的模拟量输出范围有(0~10)V、(4~20)mA两种范围可选。

3.3 变频器以下是三菱同期的三款主推变频器,特性描述如下:(1)FR-A700:闭环矢量控制、无传感器矢量控制、先进磁通矢量控制、V/F控制。

 

(2)FR-F700:简单磁通矢量控制、V/F控制。

 

(3)FR-E700:通用磁通矢量控制、经济型。

 

本系统仅需要变频器的基本功能,故选用经济型的FR-E700变频器。

 

3.4 电泵

 

采用MG1018A-2P-601380电泵,额定功率为60W,额定电压为380V,最大电流为4.2A,最小电流为0.45A,额定转速为2 800r/min。

 

3.5 人机界面

 

采用三菱公司研发的人机界面GOT1000,该系统具有数据实时更新的优点,可实时显示当前PID参数值,并生成流量、液位参数的趋势曲线图。

 

3.6 传感器

 

流量传感器采用IFM公司的SI5004,测量范围为(3~300)cm/s,对应输出为(4~20)mA,所测流量与输出电流呈线性关系。两个水箱的液位传感器均采用北京港北中天科技有限公司的2 100series,测量范围为(0~50)cm,对应输出为(4~20)mA,所测液位与输出电流成线性关系。

 

3.7 其他元件

 

除上述PLC、A/D及D/A转换模块、变频器、电动机和人机界面外,还采用了辅助电源、继电器、中间继电器、电磁阀和按钮盒等元件,在此不再详述。图2为相应的电气原理图。

图2 电气控制原理图

4 软件设计

 

4.1 A/D及D/A转换

 

本系统需要对流量和2个上水箱的液位共3个参量进行A/D转换。采用三菱公司的4通道A/D转换模块FX-2N4AD。由于流量和液位传感器都是以电流形式输出,范围为(4~20)mA,故我们也采用(4~20)mA范围的电流输入方式。

 

同样,在使用三菱公司的2通道D/A转换模块FX-2N2DA将PID计算数值结果输出给变频器时,也采用(4~20)mA范围的电流输出方式。

 

4.2 PID控制

 

系统采用PID算法使流量、液位保持与设定值基本一致。需要注意的是,PID的指令设定值及PID控制参数必须在指令执行之前送入相关的存储器,所以PID指令的初始化程序必须在执行PID指令前完成。整个PID控制流程如图3所示。以流量控制为例,首先进行PID指令初始化,然后由流量传感器将检测的值传给A/D转换模块,将模拟量转换成数字量之后对流量设定值与流量采样值进行PID计算,计算结果由D/A转换模块转换成模拟量传给变频器,从而控制电动机的转速,也就是管道中的流量。如此连续运行,使实际值与设定值保持一致。液位的控制也类似。

 

4.3 组态控制

 

为方便对水箱系统的控制与监控,还利用GT Designer3软件设计了组态监控画面。组态画面包括开机欢迎界面、控制界面、PID调节画面、流量趋势表、液位1趋势表、液位2趋势表共6个画面,各个画面间可以相互切换。图4给出了部分组态界面的设计结果。

图3 PID控制流程
图4 组态画面设计结果
5 实验结果
 
按照以上方案搭建一套供水系统,系统实物图如图5所示。以该系统为平台的实验结果如图6所示。从图6(a)流速实验结果可以看出,系统在开机启动后流速开始上升,达到设定值100cm/s后有一定过冲,然后回落,最终与设定值基本相等。从图6(b)可以看出,开机后液位1一直上升向设定值100mm靠拢,最终达到设定值并保持与设定相等。从图6(c)可以看出,开机后液位2一直上升向设定值100mm靠拢,最终达到设定值并保持与设定相等。
 
6 总结
 
本文设计了以PLC为核心、可以实时调节流量和各上水箱液位的智能供水系统,给出了系统结构图,硬件、软件及组态设计结果,并按照设计方法搭建了一台样机,实验结果证明了设计的有效性。

图5 供水系统实物图
图6 实验结果

 

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