三菱FX2NPLC在住宅小区恒压供水系统中的应用.pdf

行 业 应 用 与 交 流 n du s t r i a l Ap p l i c a t i o ns a n d Co m mu nic a t ion s 自动 化技术与应用 2 01 2年第 31卷第 6期 三菱 F X 2 N P L C在住宅小区恒压供水系统中的 应 用 张建平 ， 李磊 ， 刘庆滨 黑龙江省科学院 自动化研究所， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 9 0 摘要 本文结合住宅小区恒压供水工艺的控制要求， 详细介绍了基于三菱F X2 N P L C控制系统的总体方案、硬件配置和软件流程 的实现过程。 关键词 F X2 N； 恒压供水系统 中图分类号 T P 3 1 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 2 0 6 0 0 6 5 0 4 Ap p l i c a t i o n o f F X2 N PL C i n t h e Co n s t a n t Pr e s s u r e Wa t e r Su p p l y Co n t r o I S y s t e m f o r Re s i d e n t i a I Co mmu n i t y Z HANG J i a n - p i n g ， L I Le i ， LI U Qi n g - b i n A u t o ma t i o n I n s t i t u t e o f H e i l o n g j i a n g Ac a d e m y , Ha r b i n 1 5 0 0 9 0 C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a c o n s t a n t p r e s s u r e wa t e r s u p p l y c o n t r o l s y s t e m f o r r e s i d e n t i a l c o mmu n i t y b a s e d o n FX2 N PLC Th e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e o u t l i ne d ． Ke y wo r d s FX2 N； c o n s t a n t p r e s s u r e wa t e r s u p p l y s ys t e m 1 引言 供水系统是现代住宅小区必备的配套设施 ， 与人们 的 E t 常生活是密切相关的。随着科技水平的飞速发展 ， 人们对住宅小区供水质量的要求也不断提高。传统的 供水方式都有着明显的缺点 ， 比如 高位水箱水塔供水 方式工程造价高 ， 占地面积大 ， 水质容易被二次污染 ； 直 接水泵加压供水方式则严重浪费电能。而基于 PL C控 制的恒压供水方式克服了上述系统的缺点 ， 且节能效果 显著 ， 因此， 恒压供水方式被越来越多地应用在现代化 住宅小区供水系统上 。本文就以哈尔滨市某住宅小区 的供水改造项目为例，详细介绍了基于三菱F X 2 N P L C 的恒压供水 自控系统的实现过程。 恒压供水工艺简介 收稿 日期 2 o 1 2 一o 3 1 9 恒压供水方式所说的恒压是指保持小区二次加压 泵房 出口总管处的压力恒定 。具体的工艺是在小 区二 次加压泵房出口总管处安装压力传感器 ， 将压力值变换 成 4 ～2 0 mA的标准信号后传人 P LC， 在 P L C中与预先 设定的压力给定值进行比较 ， 并执行 P I D控制算法 ， 经过 运算， 得出一个调节参数 ， 将此调节参数经变换， 转换成 标准的 4 ～2 0 mA的电流信号送给变频器， 由变频器控制 水泵的转速 ， 调节系统供水量 ， 使出口总管处的压力始 终保持为设定压力值 ， 实现恒压供水。上述预先设定的 压力给定值是经过工程 中的实际反复摸索而得出的 ， 它 可以保证小区中供水最不利点处的水压达到预想的压 力值。这样， P LC、变频器、压力传感器和泵站电机组 就构成了一个闭环控制回路 。随着小区用户用水流量 的不断变化 ， P L C给变频器的频率给定值也随之变化， 这样 ， 就能实现小区的恒压供水 。恒压供水调节原理图 如图 1所示。 鱼 I七 堡 用 0 1 2 年 第3 l 卷 第6 期 彳 亍业 应 用 与 交 流 图 1 恒压供水调节原理图 3 恒压供水 系统硬 件设计 3 ． 1 恒压控制系统结构 该住宅小区有 3栋 1 2层小高层商住楼 ， 其中 1 层 ， 2 层为商铺 ， 3 层 l 2 层为住宅 ， i 2 栋多层住宅 ， 市政供水 压力 0 ． 2 7 Mp a左右。小区内有 1 座蓄水池 ， 有 1 个二 次加压泵房， 内有 3台并联运行的水泵。改造前的供水 方 式 为水 泵直 接 加压 。 图 2 系统总体结构图 廿 区 用 产 针对该小区的规模 ， 本系统采用 P L C控制 3台水泵 按 “ 先开先停 、先停先开 ”的原则 循环 工作 。3台水泵 为两大一小 ， 系统开始工作时， 先在上位工控机的组态 软件画面中设定水压值 ， 由变频器启动 1 水泵 ， 水管水 压逐渐增大， PLC将水管内反馈压力与给定压力 比较， 经过 P I D运算， P LC调节变频器输出频率。平时 1 台水 泵 进行 变频供 水 ， 当 1台水泵供 水 不足 时 ， 先开 的泵转 为工频运行， P LC控制变频器再启动第 2台水泵 ， 若流 量还不够 ， 第 2台水泵转为工频运行 ， 再启动第 3台水 泵 。经过计算， 3台水泵同时运行， 完全可以确保小区最 大的用水需求。当用水量减少、水压增加时， P LC控制 变频器使水泵的转速下降 ， 下降至下限值时 ， 则又按照 开启的顺序依次关闭水泵 ， 从而使压力始终稳定在水压 设定值上 。整个控制过程系统均 以出水总管处压力与 给定压力保持一致为原则 ， 连续采集压力反馈信号 ， 通 过 P L C进行逻辑判断并输出相应的指令给变频器 ， 进而 控制水泵的工作模式 ， 实现 自调整变频恒压供水。整个 系统的总体结构图如图 2所示。 3 ． 2 三菱F X2 N P L C I ／ 0点地址分配及选型 日本三菱公司的 F系列PL C在中国引进最早 ， 应用 也最广泛。近年来又推出 F X系列 P L C。F X2 N P L C是 FX系列中运算速度最快、功能最强、配置最灵活、功 能模块最多的小型P L C。本系统中基本单元选择 F X 2 N一 1 6 MR - 0 0 1 ， 它本身集成了8 个 D I 点和8 个D O点 ； 特殊模 块选择一块F X2 N- 8 A D和一块F X 2 N一 2 D A， 可经过扩展 电缆连接到基本单元 ， 分别用于模拟量的输入输出。系 统根据和基本单元的靠近程度 ， 将为连接到P L C基本单 元的每一个特殊单元或特殊模块 自动分配一个从 N O． 0 到7的单元编号。通过基本单元的F ROM／ T O指令， 可 以将数据从F X2 N一 8 A D中读出和写入到F X 2 N一 2 D A中。 系统 I ／ O点地址分配如下表 1 所示。 表 1 系统 I／ O点地址分配表 4 软件设计 4 ． 1 P L C程序流程图 GX D e v e l o p e r v 8 ． 8 6 是三菱系列P L C的编程软件。 适用于 Q、Q n U、Q s 、Q n A、An S 、A n A、F X等全系 列可编程控制器。支持梯形图、指令表 、S F C、 S T及 F B、L a b e l 语言程序设计， 网络参数设定 ， 可进行程序的 线上更改、监控及调试， 具有异地读写 P LC程序功能⋯。 具体程序流程 图如 图 3所示。 彳 亍业 应 用 与 交 流 自 动 化 技术 与 应 用 笙 鲞 笙 塑 图 3 程序流程 图 4 ． 2 PL C梯形 图设计 根据图3 所示， 可以设计出梯形图程序。现给出模拟 量输入模块 F X2 N一 8 AD数模转换的梯形图程序如图4所 示。图4中M8 0 0 2为初始脉冲 ， 第一段程序是用 F RO M 指令 ， 从机架的 0 扩展特殊单元的缓冲存储器 BF M 3 0中 ， 读出该特殊模块的型号编码 ， 并与常数 K2 0 5 0 进 行 比较 ， 比较该值 以检查 0 模块是否是 F X2 N -8 AD， 若 是则 M1 变为 O N。第一段程序中的两步对完成模拟量读 入来说不是必需的， 但它们确实是有用的， 可防止模块型 号错 误而 引起 的故 障 ， 因此推荐 使用 。第二段 程序 采用 T O指令 ， 其前两步程序将 H4 4 4 4分别写入 F X2 N一 8 AD 的 B F M0 和 B F Ml ， 建立 8个模 拟量输入通道 ， 通道 都设置成电流输入模式 4到 2 0 mA ， 分辨率为 4 ． 0 0 A 1 6 Ma * 1 ／ 4 0 0 0 ； 第三步程序将B F M2 至B F M9中的8 个模拟量转成的数字数据读入主单元 ， 并保存在 D 1 0到 D1 7中， 至此数模转换功能完成 。 图4 数模转换部分的梯形图 4 ． 3 组态软件设计 上位工控机软件采用北京亚控公司的组态王 V6 ． 5 5 版本【 引 。组态王是专门为过程控制和现场监控而开发的 监控系 统组态软 件 ， 具有强大 的数据 处理能力 和友好 的 用户界面 ， 并提供 了强大 的数据库功能和在线帮助功 能。由于它简单易学 ， 拥有丰富的工具箱、图库和操作 向导 ， 全 中文界面 ， 因此深 受国 内广大 用户 的喜爱 ， 已被 广泛用于 电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等领 域。在任何应用场合 ， 都可以使用组态王快速构造出有 效美观的监控和数据采集系统。现场运行工艺画面如 图 5所示 。 图 5 现场运行工艺画面 5 工程 实例 电耗分析 水泵功率与转速 的关系存在以下关系式 Nk* n 。 式中， N是水泵的功率 ； r l 是水泵运行的转速； k是比 例 系数 。由公 式可得 出 ， 当采 用直 接加压 方 式供水 时 ， 水泵按着 工频运 行 ， 转速是 额定值 ， 在供水高 峰时 间外 ， 用水流量很小 ， 这时水泵的电耗浪费严重 ； 而采取 PLC 和变频器共同控制可 以使水泵运行的转速随用水流量 的变化 而变 化 ， 电耗 浪费 很少 。 表 2 直接加压供水方式和变频恒压供水方式 电耗统 计对 比表 从 表 2可 以看 出 ， 该 小 区供 水 系统 在实 际运行 中 ， 下转第 7 6页 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第6 期 行 业 应 用 与 交 流 nd u s t r ial App l ic a t ion s an d Commu nic a t ion s 表 3 打印机接口定义表 I D C 2 6 信 号 方向 说 明 l S T B 入 数据进通触发脉冲， 上丹沿时读入数据 3 n T 1 入 5 D 入 7 n 入 9 D T 4 入 琏 倡 ， r 刑 霹开 翠瑁 即 一 兰 弟八 但1 i 盘 膪卫业 甘 雹揖 “ ”■ “t”由 监蛐 H l 1 D T 5 入 1 ， 肆 I 1 ■ |圮 i IP J 帅 吧． r 埋再 1 3 n T 6 入 为 “ 0 ”为 “ 低”电平 1 5 D T 7 入 1 7 D T A 8 入 2 l B U S Y 出 “ 蠢”电平袭示打印机正 “ 忙”， 不能接收数据 4 ． 1 9 , 2 3 , 2 5 一 E R 一 a c ． P g ， 托L辅助信号 可不接 2 ， 6 ， 8 ． 2 6 不接 1 0 2 4 G N D 接地． 逻辑 ⋯ 0电平 所以， 控制打印机 ， 至少得用 1 0 根控制线， T T L电平。 本文选用一片单芯片微控制器 MC U， A T ME L A V R A T t i n y 1 5 L ， 接收P L C送来的P TO数据脉冲， 解调出其 中的原始数据 ， 再驱动打印机 ， 将数据 字符 打印出来。 原理 如 图 3 。 图 3 打印机接口 P TO脉冲输 出经光耦合器隔离后 ， 送入 MCU 中。 P LC和 MCU间没有电气连接， 没有相互间干扰和共地 的问题。又由于连线少 ， 信号强 2 4 V脉冲 ， 可以长距 离传送。 MC U接收P T O脉冲后， 按约定的时序 ， 解调出原始 数据， 经串 ／并转换电路 ， 变为打印接口所需的 8 位并行 输出。MC U检测 B u s y信号， 当为低电平时， 在 一 S T B上 发一个低脉冲 ， 将并行数据送入打印机 。 5 结束语 根据本文所介绍的方法 ， 已成功制作硬件电路 ， 实 现了S 7 1 2 0 0 P L C通过 P TO进行打印的功能。 P T O通讯为单向和慢速的通讯 ， 且要求 P LC为晶体 管输出类型 ， 只能用在特定的应用场合 ， 如打印输出、 L E D数码显示等。该方法占用 P L C资源少 ， 有利于降低 系统成本， 则是其优点。 参考文献 [ 1 】西门子公司． S I MATI C s 7 1 2 0 0 可编程控制器模块系 统手册[ Z 】 ． 2 0 1 1 ． 作者简介 单翌阳 1 9 7 0 一 ， 女， 助理工程师， 研究方向 工业 自动 化 控 制 。 上接第 6 7页 采用恒压供水方式比改造前的直接加压供水方式平均 节电0 ． 5 8 7 k w h ／ m ， 节能率可达 3 0 ％以上 ， 整个小区 每年节约的电能十分可观。 6 结束语 该供水系统已经在现场J, i N运行 1年多， 实际运行 结果表明， 采用恒压方式的自动供水系统 ， 具有实时性 好 ， 控制精度高 ， 可实现无人值守等优点。在保证了小 区住户生活用水质量大幅提高的同时 ， 该供水系统实现 了降低运行成本 ， 节约 电能的效果。 参考文献 [ 1 】三菱微型可编程控制器F X 2 N编程手删 z 】 ． 三菱电机自 动化 中国 有限公司， 2 0 1 0 ． [ 2 】沈玉凤． P L C和I n t o u c h 软件在宜兴水务集团滨水厂自 控系统中的应用[ J ] ． 自动化技术与应用， 2 0 1 l ， 3 0 8 8 6 8 8 ． 作者简介 张建平 1 9 7 9 一 ， 男， 助理研究员， 主要从事工业 自动 化控 制 系统 的 研 究 。