基于PLC的变频恒压供水系统.pdf

总第1 8 4期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 7 9 8 ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 3 6 基 于 P L C的变频恒 压供水 系统 牛军凯 潞安集团 慈林 山煤业有限公司， 山西 长治0 4 6 6 0 5 摘要 为解决传统供水控制系统中效率低下、 耗电量大、 自动化程度低等缺点， 文章探讨 了采用 P L C来实 现变频恒压供水控制系统。在设计上 ， 采用西门子 s 72 0 0系列中 C P U 2 2 4作为主控制器 ， 利用 E M 2 3 5模 拟量扩展模块采集液位传感器输出的模拟量信号， 并通过三菱 F RD 7 2 0变频器控制水泵电机的转速， 同 时在 P L C软件编程中运用 P I D算法来实现水箱水位的闭环控制系统 ， 进而实现对水箱水位的恒值控制， 最 后 ， 利用三维力控 F o r c e C o n t r o l 组态软件设计人机界面， 实现水位控制系统的在线监测和控制。 关键 词 P L C ； 变频控制 ； F o r c e C o n t r o l 组态软件； 水箱水位 中图分类号 T U 9 9 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 ． 2 7 9 8 2 0 1 4 1 2 ． 0 0 9 4 ． 0 3 近年来 ， 随着社会经济及科技水平的迅速发展 ， 人们对生活用水质量及供水系统稳定性的要求 日 益 提高。传统恒压供水控制系统中， 主要采用人工控 制方式进行控制 ， 系统利用 电动调节阀来手动调节 水泵 中抽水流量 ， 对供水管路 的水压和水位变化很 难做 出及时调整 ， 导致抽水效率低下 ， 水泵抽水不迅 速 ， 还会浪费大量 时间、 人力和物力 等。P L C 可编 程序控制器 因其灵活 、 方便 、 易操作的特点 已在工 业控制装置中得到迅速发展 ， 通过数字量或者模拟 量的输入输出过程 中的信号转换 ， 更能快捷 、 准确地 完成控制中各类工业生产过程中的任务。工业应用 领域， 采用 P L C对水位进行恒值控制具有成本低、 精度高 、 稳定性好 、 易于操作和管理等特点。 1 系统组成 1 ． 1 系统硬件构成 传统的供水控制系统 中， 系统是根据 电动调节 阀来调节水泵中抽水 的， 通过压力表来显示抽水 的 量数 ， 这就会导致抽水效率不稳 定 ， 水 泵抽水不迅 速 ， 还会浪费大量时间、 人力和物力等。 基于 P L C的变频恒压 供水控制 系统 主要 由五 个部分构成 ， 即上位机、 P L C 可编程序控制器 、 变 频器 、 抽水水泵和水箱 。通过上位机 向 P L C发出相 关指令 ， P L C控制变频器启停及转速给定信号 ， 变频 器控制水泵进行变频调速 ； 通过水箱 中液位传感器 检测水箱水位并将其反馈至 P L C进行 P I D闭环控 制， 从而实现水箱水位的恒值控制， 同时将水箱水位 反馈至上位机进行实 时监测。系统原 理如 图 1所 示 。 图 1 系统 原理 基于上述原理 ， 为了实现水箱液位 的恒值控制 ， 本文设计了控制系统的硬件结构框图， 如图 2所示。 图 2 硬件结构框 1 ． 2 系统硬件选型 1 ． 2 ． 1 P L C选型 P L C的 I ／ O点数要符合设计 的控制系统 的要 求 ， 同时 ， 考虑到生产设备与技术的变化 ， 及工作过 程中I ／ O点的故障与损坏等， P L C的 I ／ O点数一般 都有 1 0 ％ 一 2 0 ％的备用量增加， 这样既能保证正常 的工作需要 ， 又能满足对控制功能的增加需求。根 据该系统的控制方案 ， 统计出 P L C所需要模拟量输 入输出点数、 开关量输入输出点数及通讯 口点数 其 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 - 2 0 作者简介 牛军凯 1 9 8 5一 ， 男， 山西长治人 ， 助理工程师， 从事煤矿机电技术工作。 牛军凯 基于 P L C的变频恒压供水系统 第2 3卷第1 2期 中模拟量输入需水箱水位点 1个 ， 模拟量输 出需变 频器给定转速点 1 个 ； 数字量输入参数需系统启动 、 停止点 2个 ， 数字量输 出参数需变频器启停点 1个。 根据系统所需采集及输 出点数 ， 本系统采用西 门子 公 司生 产 的 C P U 2 2 4 系 列 P L C ，同 时 配 置 E M2 3 5作为模拟量扩展模块。 1 ． 2 ． 2变频 器选型 为提高本系统的工作效率 ， 同时达到节能效果 ， 本文对恒压供水控制 系统采用变频调速技术 ， 采用 三菱公司生产 的 F RD 7 2 0系列变频器 ， 具 体参数 如表 1 所示 表 1 F RD 7 0 0参数 参数 数值 0． 4 2 o 0 2． 5 5 0 1 ． 2 ． 3上 位机 组 态软 件选 型 为实现该系统的上位机在线监控功能 ， 本文选 用北京三维力控科技有限公司开发 的 F o r c e C o n t r o l 7 ． 0组态软件。 1 ． 2 ． 4液位传感器选型 液位传感器是一种用来测量液位高度的压力传 感器 ， 其工作原理是 根据传感器受到的液体压力 ， 来计算水箱中液位的高度。具体分析如下 当液位 传感器投入到被测液体中某一深度时， 传感器迎液 面受到的压强公式为 P P g H 尸 0 1 式中 P为变送器迎液面所受压强 ； p为被测液 体密度 ； g为当地重力加速度 ； P 0 为液面上大气压 ； 日 为水箱中液位的高度 。 根据公式 1 可知， 水箱 中液位 的高度和液位 传感器表面所受压力的大小呈线性关系 ， 根据压力 大小即可知道水箱中液位高度。根据这一公式 ， 本 文选用贺迪 H D P 6 0 1 系列液位传感器。 2 系统实现方案 2 ． 1 控制系统流程图 根据系统要求 ， 本文设计了控制系统流程， 如图 3所示 。 2 ． 2 P L C控制程序 整个系统 P L C程序分为 主程序 、 初始化子程 序 、 定时中断程序等。 在主程序中， 主要实现水位控制系统的启动 、 停 止控制， 并调用初始化子程序及定时中断程序， 具体 内容如图 4所示。 图3 控制系统流程 M l 网络2 ’ j 图4 主程序 在初始化子程序 中， 主要实现 P I D控制算法所 需参数 K P 、 T I 、 T D等 、 P I D输入信 号 给定 液位 进行初始化 ， 并调用定时中断程序 ， 具体 内容如 图 5 所示。 ----I 一 } _ 0 I5 { 竖I v D I∞ _ _ J 。 卜 1 o _O i 垫 鉴 I 8 t _ _ { 幻 卜 0 ． 1 { L V D I I 6 _ _ J 卜 0 ．3 I l- V D I 0 卜 0 ． 0 v Dl 3 4 图 5 初始 化子程序 在定时中断程序中， 主要实现 P I D控制算法的 调用 、 将 P I D计算结果作为给定转速输 出给变频器 以及将水位控制系统运行参数 给定水位 、 实际水 位 反馈至上位机进行监测等功能 ， 具体 内容如 图 6 所示 。 2 ． 3 上位 机 程序 本文控制系统 的上位机设计 ， 主要是利用组态 软件 F o r c e C o n t r o l 7 ． 0在计算机上对变频恒压供水 系统实时工作状态进行监控。P L C与计算机可以通 过 P C ／ P P I 电缆直 接连接 ， 通 过计算 机 的 R S一2 3 2 通信接口与 P L C的 R S 一 4 8 5 通信接 口就可以实现 两者的通信 。 9 5 一