基于PLC控制变频抽水系统的方案设计.pdf

第 2期 总 第 1 8 3期 2 0 1 4年 O 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGl NEERl NG ＆ AUT MATl N NO ．2 Apr ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 4 0 2 0 1 7 1 0 2 基于 P L C控制变频抽水系统的方案设计 李仁 杰 山西经济管理干部学院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对 当前某些地 区抽水 系统中存 在的 自动化程度不高、能耗严 重、可靠 性低 的缺 点加 以研 究．设计 出 一 种在这 3个方面都有所提高 的 P L C控制的 变频抽水 系统 。通过对抽水 系统的运行特征及 工作状态 的分析 ． 用磁致伸缩 线性液位 变送 器采集蓄水池液位信号 。通过 P L C和 变频器 自动调节水 泵 电机 的转速 ．实现变 频 抽才 t 。 关 键词 变频抽水 ；可编程控 制器；磁 致伸缩；变频器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A O 引言 在现有的农 田灌溉系统 中， 某些地区的抽水系统 仍采用恒速交流电动机拖动， 该系统存在 自动化程度 不高 、 能耗严重 、 可靠性低的缺点 。本文介绍了一个基 于 P L C控制的变频抽水系统 的设计 ， 该系统可使水泵 处于变工况运行 ， 利用变频器进行调速， 以调节电动机 转速的方法取代调节挡板或 阀门， 减轻了工人 的劳动 强 度 ， 达 到 了节 能 的 目的 。 1 系统 总体设 计 方案 及硬 件设 计 该系统主要实现变频灌溉 ， 由两台水 泵给蓄水池 供水， 通过液位变送器采样蓄水池水深信号， 经西门子 P L C的模拟量模块 E M2 3 5分析处理后产生一个输出 信号， 再经变频器控制水泵电机的转速， 以实现变频注 水 ， 当液位大于某一设定值时 ， 控制抽水泵停止运转 。 整个系统流程图如图 l 所示。 1 ． 1 MC 4 2 0磁 致伸 缩 液位计 MC 4 2 0采用磁致伸缩原理设计 ， 只有一个可移动 部件浮子 ， 这种简单 的设计使液位计无需定期 的 维护和标定。MC 4 2 0 韵外管是 5 1 8英寸 3 1 6 L不锈钢 管， 通过 3 ／ 4英寸 NP T螺纹 固定液位计， 每 台液位计 配用一只不锈钢浮子。变送器接线方法见图 2 。 1 ． 2 西 门子 S 7 2 0 0 P L C及 其 扩展模 拟 量模 块 7 - 2 0 0 C P U 采 用 2 l 4型 系 列 是 一 种 紧 凑 型 可 编程序逻辑控制器 ， 它能够控制各种设备以满足 自动 化的控制需求。其用户程序 中包括了位逻辑 、 计数器、 定时器 、 复杂数学运算 以及与其他智能模块通讯等指 令内容 ， 从而使它能够监视输入状态 、 改变输出状态 以 达到控制的目的。 由于系统具 有模拟输入输 出功能 ， 因此选 用 7 - 2 0 0为控制 中心且增加 E M2 3 5模拟量输 入输 出模块 ， 以实现模数和数模转换 。该模块有 4路模拟量输入和 l 路模拟量输 出通道 ， 数字量位数均为 l 2位 ， 其输入 通道模拟量转换时 间为 2 5 ms ， 输出通道模 数转换时 间为 i 0 0 ms 。 液位变送器输出电流I I 输出最大电流2 0匝 大 大于设定最大 l I 深度 l 雪 L 两 可 I I l罚 I 彗 变频器 I 墨皇 I 图 1 变频抽水系统工作流程图 6个 DI P开关决定 了所有的输入设置， 即开关 的 设置 应用 于 整 个 模 块 ， 只有 在 重 新 上 电 后 才 能 生 效 。 将 D I P开关 S W6设置成 ON， 即模拟量输入是单极性 输入 。S wl 设 置成 0N， S w2 、 S w3 、 S W4 、 S W5都设 置成 O F F， 使模 拟 量满量 程输 出范 围为 0 mA～2 O I n A， 分 辨率 为 5 A。 由于液位变送器输 出的是电流信号， 故将 E M2 3 5 模块的 R C端 口与 C端 口短接后接人电流输入的正 端 ， 与液 位变送 器 C一构成一 个 回路 ， 剩下 的 A， 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 2 ；修回 日期 2 0 1 3 一 1 0 2 2 作者简介 ；李仁杰 1 9 8 4 - ，男 ，山东蓬莱人 ，助理讲 师，在读硕 士研究生 ，研 究方 向 电气 工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年第 2期 A一 ； B， B一； D， D一通道全部短接； 输出 I O接变 频器控制信号 ； L， M 接 2 4 V 电源 。 磁 致 伸 缩 线 性 液 位 变 送 器 反向开关线 橙 输出信号 紫 紫 一 液位信号 黄 蓝 电源 二次 仪表 二次 仪表 图 2变 送 器 接 线 图 1 ． 3 变 频 器 本系统 选用西 门子 6 S E 6 4 3 0 2 UD3 1 1 C A0系 列 模拟量控制变频器， 其模拟量输入 0 mA～2 0 mA， 电 源电压范围为 3 8 0 V～4 8 0 V， 三相交流电， 功率范围 为 7 ． 5 k W～9 0 k W， 输入频率为 4 7 Hz ～6 3 Hz ， 输出 频率为 0 Hz 6 5 0 Hz ， 功率因数为 0 ． 9 8 ， 变频器效率 为 9 6 ～9 7 ％ 。 2电气控制系统原理图 2 ． 1 系统主 电路 图 3为系统主电路图。两 台电动机分别为 M1 、 M2 ； 接触器 K M1 、 KM3分别控制 M1 、 M2的工频运 行 ； 接 触器 KM2 、 K M4控 制 M1 、 M2的 变频 运行 ； F R1 、 F R 2分别为两台水泵 电动机过载保护用的热继 电器 ； QF 1 、 QF 2 、 QF 3分别为变频器和两台水泵电动 机主 电 路 的 隔 离 开 关 ； F U1为 主 电 路 的 熔 断 器； V VVF为一 般变频 器 。 图 3 系 统 主 电路 图 2 ． 2 系统控 制 电路 图 4为系统控制电路图。图 4中， S l为总启动开 关 ， S B1 控制 M1电动机工频运转 ， S B 2控制 M1电动 机经变频器运转 ， S B 3控制 M2电动机工频运转 ， S B 4 控制 M2电动机经变频器运转。 3 系统软件设计及说明 3 ． 1 液 位计 输 出电流 对于 MC 4 2 0磁致伸缩液位计 ， 由于它是线性 的， 输出的电流信号 取值为 4 mA2 0 mA， 对应液位 L 的测 量范 围为 O ～L ⋯ 。 蓄水池允许最低液位 L 。 ， 对应液位变送器输出电 流信号为 ， ； 蓄水池允许最高液位 L ， 对应液位 变送 器输出电流信号为 I 。 。根据线性关系可得 L L J～4 ／ 2 0 4 Lm , J 一4 ／ 1 6 ． 1 3 ． 2 变频 器控制 电流信号 当液位 L小于所设定 最低液位 L 时， 变频器得 到最大控制电流信号 2 0 mA； 当液位 L大于所设定最 高液位 L 时 ， 变频器得到最小控制电流信 号 4 mA； 当液位 L在 L 与 L 。 之间时 ， 对应变频器得到的控制 电流信号为 J r 4 2 0 4 L 2 一L ／ L2 一L】 ． 2 将式 1 代入式 2 得 J ， 4 1 6 L 2 一L I 一4 ／ L 2 一L 1 ． 3 图 4 系统控 制电路图 4实现变频抽水的 S T L主程序 0R GANI Z ATI O N B L OC K 主程序 ； OB 1 TI TL E一程序注释 BEGI N Ne t wo r k 1 LD SM 0 ． 1 CALL S BR0 Ne t wo r k 2 LDW VW 1 0 0，VW 4 0 0 R QO ． 0 ，1 Nc t wo r k 3 L D S M 0 ． 0 LPS AW 一VW 1 0 0 ，VW 3 0 0 M 1 ． 0 M0VW 6 4 0 0，AQWO LRD AW 一VW l 0 0 。VW 2 0 0 一 M 1 ． 1 M0VW 3 2 0 0 0 ,AQW 0 LPP AN M 1 ． 1 AN M 1 ． 0 M O VR VD2 0 0，VD4 0 0 *R 2 5 6 0 0 ． 0，VD4 0 0 M 0VW VW 1 0 0，VW 1 5 0 一 I一 6 4 0 0．VW 1 5 O DTR VD1 4 8，VD2 2 0 *R VD3 0 0．VD2 2 0 j OVR VD4 0 0．VD2 3 0 一 R VD2 2 0。VD2 3 0 M VR VD2 0 0．VD2 4 0 一 R VD1 0 0．VD2 4 0 ／ R VD2 4 0。VD2 3 0 TRUNC VD2 3 0，VD2 3 2 I 6 4 0 0。VW 2 3 2 M0VW VW 2 3 2，AQW0 CRET END nRGANI ZATI ON1． BLOCK S U B R0UTI NE BL0CK S BR一0 S BR0 下转第 1 7 5页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 2期 机 械 工 程 与自 动 化 1 7 5 包括零件设计 、 材料选取及 可重构实现。依据本套模 块化设计 的组件 ， 可以完成单足 、 双足及多足的多款足 类机器人 的搭建 ， 使之能适应不同的教学环境 ， 完成多 变的动作任务 ， 从而激发学生的创造力 以及对机器人 知识的浓 厚兴趣和热情。该模块 化设计易 于学生搭 建、 功能强大 、 通用性强 、 制造简单、 成本低廉 、 便 于拆 卸， 有利于学生对基本的机构原理 的理解 ， 为学生提供 了具有开放式特征的实训实验平台。 参考文献 [ 1 ] Ga o Ha i t a o 。 Z h a n g Z h i s h e n g ．G e n e r a l d y n a mi c mo d e l f o r e d u c a t i o n a l a s s e mb l i n g t y p e r o b o t a n d i t s f a s t s i mu l a t i o n a l g o r i t h m [ J ] ．J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y E n g l i s h E d i t i o n ，2 0 0 9 ， 2 5 s 3 3 4 0 3 4 5 ． [ 2 ] 张艳丽 ， 郭 建烨． 可重构模块化 机器人 的构形设计 [ J ] ． 沈 阳航空工业学院学报 ． 2 0 0 2 1 9 4 2 4 4 ． E 3 ] 王鹏飞， 秦小云． 可重构模块化机器人的研究[ J ] ． 中国水 运 ． 2 0 0 7 7 l 6 4 - 1 6 5 ． E 4 ] 白鹏． 可重构模块化机器人构形综合与寻优[ D ] ． 沈阳 东 北 大 学 ， 2 0 0 9 1 1 - 1 2 ． [ 5 ] 王 日君 ， 张进生 ， 葛培琪 ， 等． 模块化设 计 中模块划 分方法 的研究[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ． 2 0 0 8 7 1 7 2 1 ． M o d u l a r De s i g n o f Le g g e d Edu c a t i o n a l Ro b o t CHE N Mi n g - h u i 。QI AN Hu a ，WU J i a n B e i j i n g F o r e s t r y Un i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e t h e e d u c a t i o n r o b o t wi t h o p e n a n d r e c o n f i g u r a b l e s t r u c t u r e t o me e t t h e d e ma n d o f t h e t e a c h i n g ，t h e r o b o t i s d i v i d e d i n t o mo d u l e s a c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f mo d u l a r d e s i g n。wh i c h m a k e t h e o v e r a l 1 s t r u c t u r e wi t h t h e mo d u l e s C a l l d o c o o r d i n a t e d mo t i o n ． S o t h a t i t c a n a d a p t t o t h e d i f f e r e n t t e a c h i n g e n v i r o n me n t ． c o mp l e t e v a r i a b l e mo t i o n t a s k． s t i mu l a t e t h e c r e a t i v i t y o f s t u d e n t s ． Ke y wo r d s e d u c a t i o n r o b o t ；mo d u l a r d e s i g n；mo d u l e p a r t i t i o n；r e c o n f i g u r a t i o n 上接 第 1 7 0页 Re mo t e M o ni t o r i ng S y s t e m Ba s e d o n Ki n g v i e w f o r M i n i n g Ar e a W a t e r Su pp l y TI AN Zhe n do ng J i nc h e n g An t h r a c i t e Co a 1 M i n i n g Gr o u p Co ．，Lt d． ，J i n c h e n g 0 4 80 0 6，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e s i t u a t i o n o f wa t e r mo n i t o r i n g s y s t e m i n mi n i n g a r e a，a r e mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n Ki n g v i e w f o r t h e mi n i n g a r e a wa t e r s u p p l y i s d e s i g n e d ．Th e Ki n g v i e w 6 ． 5 3 c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e t e c h n o l o g y wi t h W EB p u b l i s h i n g f u n c t i o n i s u s e d i n s y s t e m ．Th e s y s t e m c a n s e t u p a c e n t r a l i z e d mo n i t o r i n g a n d u n i f i e d d i s p a t c h i n g i n t e g r a t e d ma n a g e me n t i n f o r ma t i o n p l a t f o r m f o r wa t e r s u p p l y c o m p a n y ．wh i c h c a n c a r r y o u t ma n u a l 。a u t o ma t i c o p e r a t io n a n d o n - s i t e ．r e mo t e mo n i t o r i n g ．Th e s y s t e m i s o f r e a l - t i me d i s p l a y．r e c o r d．a n a l y s i s ，q u e r y。a l a r m ．r e p o r t p r i n t ，r e mo t e a c c e s s a n d o t h e r f u n c t i o n s ．I t i s wi t h f r i e n d l y ma n - ma c h i n e i n t e r f a c e． s t a b l e a n d r e l i a b l e r u n n i n g，e a s y t o ma i n t a i n ． Th e s y s t e m p r o v i d e s a n i mp o r t a n t s a f e g u a r d f o r s a f e a n d e c o n o mi c o p e r a t i o n o f wa t e r s u p p l y s y s t e m i n mi n i n g a r e a ． Ke y wo r d s Ki n g v i e w ；wa t e r s u p p l y s y s t e m ；r e mo t e mo n i t o r i n g 上接第 1 7 2页 5 结束 语 本文介绍 了基于 P L C的变频抽水 系统 的基本 构 成及特点 ， 并从实际出发， 阐述了整个系统实现的理论 基础 ， 通过利用可编程控制器的模拟量控制模块具 体 编制 P L C程序， 实现 了控制要求， 并能通过手动操 作 实现变频与工频的自如转换 ， 减少了系统的控制接线 ， 提高了可靠性 ， 使系统的维修简易， 较好地满足了工艺 要 求 。 参考文献 [ 1 3 王兆义． 可 编程控 制器 原理 及应用 [ M] ． 北京 机 械工 业 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 2 ] 夏 田， 陈婵 娟 ， 祁广利． P L C电气控制技术一C P M1 A系列 和 S 7 2 0 0 [ M- ] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 梁首发． P L C与工控机 应用 分析 [ J ] ． 工业 仪表 与 自动 化 装 置 ． 2 0 0 1 1 4 0 - 4 5 ． [ 4 ] 李亚东． 用 P L C实现位置控 制的方 法[ J ] ． 上海交 通大 学 学报 。 2 O 0 2 4 4 9 1 - 4 9 3 ． E s ] 柳桂 国． 检测技术及应用[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． S c he me De s i g n o f Va r i a b l e Fr e qu e n c y L I Re I 卜 j i Pu m p i n g S y s t e m Ba s e d o n PLC S h a n x i Ca d r e Co l l e g e of Ec o n o mi c M a n a g e me n t ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t To t h e p r o b l e ms i n p u mp i n g s y s t e ms i n s o me a r e a s o f l o w a u t o ma t i o n l e v e r ．h i g h e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d l o w r e l i a b i l i t y ， t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n o f a n e w k i n d o f f r e q u e n c y c o n v e r s i o n p u mp i n g s y s t e m b a s e d o n P LC．On t h e b a s i s o f a n a l y s i s o n t h e wo r k i n g s t a t e o f t h e p u mp i n g s y s t e m ．a ma g n e t 0 s t “c t i v e l i n e a r l i q u i d l e v e l t r a n s mi t t e r i s c h o s e n t o a c q u i r e t h e wa t e r l e v e l s i g n a l o f a c c u mu l a t o r ，t h e r o t a t i o n a l s p e e d o f wa t e r p u mp mo t o r i s a u t o ma t i c a l l y a d j u s t e d b y P LC a n d c o n v e r t e r ，a n d t h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n p u mp i n g s y s t e m i s r e a l i z e d ． Ke y wo r d s f r e q u e n c y c o n v e r s i o n p u m p i n g s y s t e m ；PLC；ma g n e t o s t r i c t i v e ；c o n v e r t e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m