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        基于PLC 和HMI的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2011-01-19 10:56:28王曉瑜
        制造業(yè)自動(dòng)化 2011年10期
        關(guān)鍵詞:恒壓人機(jī)界面子程序

        王曉瑜

        (1. 西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710055;2. 西安外事學(xué)院 工學(xué)院,西安 710077)

        基于PLC 和HMI的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        王曉瑜1,2

        (1. 西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710055;2. 西安外事學(xué)院 工學(xué)院,西安 710077)

        介紹用三菱FX2N PLC、變頻器和人機(jī)界面,設(shè)計(jì)恒壓供水控制系統(tǒng)。分析系統(tǒng)的控制原理,設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖及軟件程序。實(shí)踐結(jié)果證明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性好,實(shí)現(xiàn)住宅恒壓供水和節(jié)能的環(huán)保要求。

        恒壓供水;PLC;變頻器;HMI

        0 引言

        隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步,城市高層建筑供水問(wèn)題日益突出,一方面要求提高供水質(zhì)量,不能因壓力的波動(dòng)造成供水障礙,另一方面要求保證供水的安全性及可靠性。而傳統(tǒng)的水塔供水方式暴露了很多缺點(diǎn):用水高低峰的不平衡,管道閥門易損壞,維修保養(yǎng)費(fèi)用過(guò)高,水的二次污染等等。為此,筆者結(jié)合某礦務(wù)局商住樓生活供水系統(tǒng)設(shè)計(jì),提出基于PLC和HMI的變頻恒壓供水系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)該礦務(wù)局商住樓恒壓供水和節(jié)能的環(huán)保要求。

        1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        該商住樓地上共10層,一層為商鋪,地下1層,給水泵房及機(jī)械停車庫(kù)皆位于負(fù)一層,建筑高度35米。地下1層(低區(qū))由市政管網(wǎng)直接供水,3層~10層(中區(qū))由生活泵房的變頻調(diào)速恒壓給水設(shè)備供水。

        中區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)由一臺(tái)PLC、一臺(tái)帶內(nèi)置PID控制器的變頻器、壓力傳感器、水泵機(jī)組、儲(chǔ)水罐、儲(chǔ)能罐等組成。恒壓供水控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

        圖1中水泵機(jī)組采用兩臺(tái)水泵運(yùn)行的方式;一臺(tái)是主泵,另一臺(tái)是備用泵。兩泵用一臺(tái)變頻器控制交替工作,兩臺(tái)水泵都能軟啟動(dòng)和軟停止。這樣不僅可以減少水壓對(duì)管道的沖擊,還能夠改善水錘效應(yīng),避免設(shè)備的損壞,同時(shí)加裝儲(chǔ)能罐以消除水錘效應(yīng)。

        圖1 恒壓供水控制系統(tǒng)原理圖

        工作中由壓力傳感器檢測(cè)實(shí)際的出水管壓力,壓力傳感器把檢測(cè)到的壓力信號(hào)變成模擬信號(hào)(電壓或電流信號(hào),本系統(tǒng)采用電壓信號(hào)),并把該信號(hào)送給變頻器,由變頻器中的PID運(yùn)算。PLC根據(jù)壓力的情況控制變頻器提速或降速(由變頻器的多段速控制)。當(dāng)用水量小時(shí),變頻器控制一臺(tái)水泵在低速下運(yùn)行;當(dāng)用水量大時(shí),變頻器控制水泵在高速下運(yùn)行;當(dāng)用水量極大或發(fā)生火災(zāi)及其他需要大量用水時(shí),由PLC控制兩臺(tái)水泵同時(shí)啟動(dòng),以保證壓力的穩(wěn)定。為了延長(zhǎng)水泵的使用壽命,讓兩臺(tái)水泵每4小時(shí)循環(huán)工作,以避免水泵長(zhǎng)時(shí)間不用而生銹。另外儲(chǔ)水罐的進(jìn)水管和出水管除了有電動(dòng)閥門還有手動(dòng)閥門,防止電動(dòng)閥門出現(xiàn)故障時(shí)影響供水。系統(tǒng)中增加了人機(jī)界面HMI,在人機(jī)界面里能顯示系統(tǒng)的故障、運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的設(shè)置,同時(shí)可以向?qū)降膶?duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作,使得系統(tǒng)控制更加方便明了(恒壓供水系統(tǒng)主電路單元、控制回路單元及人機(jī)界面單元等圖略,若有需求,可向筆者索?。1,5]。

        2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 主機(jī)PLC的選擇與設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)所需的I/O點(diǎn)數(shù)為28點(diǎn)輸入,23點(diǎn)輸出,從控制系統(tǒng)功能和信價(jià)比考慮,選擇PLC為三菱FX2N-64MR。該型號(hào)PLC有32點(diǎn)輸入,32點(diǎn)輸出,滿足本系統(tǒng)的要求,PLC端子接線圖如圖2所示(I/O地址分配表略,若有需求,可向筆者索取)。

        圖2 PLC端子接線圖

        2.2 變頻器選擇

        經(jīng)計(jì)算,中區(qū)供水設(shè)計(jì)流量50m3/h,泵揚(yáng)程48米。根據(jù)計(jì)算參數(shù),選擇離心式水泵ISG 80-50-200(2臺(tái)),配帶電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y160M2-2,功率為15 KW (2臺(tái));據(jù)此選變頻器為HLP-P風(fēng)機(jī)/水泵專用變頻器,型號(hào)為HLP-P18D543B,功率18.5KW。該變頻器具有高輸出轉(zhuǎn)速和強(qiáng)的抗干擾能力,有PID控制與上、下限控制兩種控制方式,具有一拖六功能,可實(shí)現(xiàn)變頻、工頻的自動(dòng)切換,具有自動(dòng)穩(wěn)壓和節(jié)能運(yùn)行等功能,變頻器壓力反饋PID控制方框圖如圖3所示[2,3,6](端子接線圖略,若有需求,可向筆者索?。?/p>

        圖3 壓力反饋PID控制方框圖

        從圖3中可知,通過(guò)來(lái)自遠(yuǎn)端壓力表的反饋值與設(shè)定值的比較,經(jīng)變頻器PID控制時(shí)的輸出頻率限制設(shè)定的百分比,一次延時(shí)使系統(tǒng)的震蕩減緩,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的控制輸出。

        2.3 壓力傳感器選擇

        選用的傳感器為:MD-W恒壓供水壓力傳感器,該傳感器是專門為變頻恒壓供水系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的傳感器,采用抗變頻干擾電路,保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

        2.4 人機(jī)界面的選擇

        選用的HMI是Eview 公司的MD204L, MD204L是一個(gè)小型的人機(jī)界面,操作人員可通過(guò)編程軟件TP200在計(jì)算機(jī)上面制作畫面,自由輸入漢字及PLC地址并使用串行通訊下載畫面,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示、報(bào)警及人機(jī)操作等功能(其他低壓元器件選型及規(guī)格型號(hào)略,若有需求,可向筆者索?。?。

        3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)(如圖4所示)

        3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)PLC 電氣控制部分設(shè)計(jì)的核心,根據(jù)控制要求,確定控制的操作方式,應(yīng)完成的動(dòng)作,以及必須的保護(hù)和連鎖,還要確定所有的控制參數(shù)

        本程序分為主程序和子程序兩部分,在主程序中主要完成系統(tǒng)的初始化及模式的選擇。

        系統(tǒng)的初始化主要包括變頻器、人機(jī)界面、PLC、水位、閥門及多段速的初始速度等的初始化。當(dāng)初始化結(jié)束后進(jìn)入自動(dòng)/手動(dòng)模式的選擇。

        當(dāng)選擇了自動(dòng)模式,程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用自動(dòng)模式的子程序,當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕按下時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式。在自動(dòng)模式下,A泵先啟動(dòng)運(yùn)行,四個(gè)小時(shí)后自動(dòng)切換到B泵運(yùn)行,B泵運(yùn)行四個(gè)小時(shí)后,再次切換到A泵循環(huán)運(yùn)行。

        手動(dòng)模式主要用于設(shè)備的調(diào)試,當(dāng)選擇了手動(dòng)模式,程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用手動(dòng)模式的子程序。在手動(dòng)模式下,A1閥、A2閥、B1閥、B2、閥、A泵及B泵都能單獨(dú)的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)選擇A(B)閥運(yùn)行,程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用A(B)閥子程序,如果在A(B)閥子程序中選擇A1(B1)閥或A2(B2)閥運(yùn)行,程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用A1(B1)閥或A2(B2)閥的子程序。開始A1(B1)閥或A2(B2)閥的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。在此過(guò)程中運(yùn)用了子程序的嵌套使用方法。當(dāng)A(B)閥開啟后,選擇A(B)泵啟動(dòng)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用A(B)泵子程序,并點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行(具體程序略,若有需求,可向筆者索取)[5]。

        3.3 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)

        人機(jī)界面的編程軟件采用MD204L專用的組態(tài)軟件TP200 V4.0.0,與PLC編程口直接相連實(shí)現(xiàn)通訊。主菜單如圖5所示(其它菜單略)[4]。

        圖5 人機(jī)界面主菜單

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文介紹了基于 PLC 和HMI的恒壓供水控制系統(tǒng),在該系統(tǒng)中PLC控制變頻器進(jìn)行PID運(yùn)算,根據(jù)不同階段的用水情況通過(guò)調(diào)節(jié)頻率選擇適當(dāng)?shù)膲毫Ψ秶?,用人機(jī)界面顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和對(duì)系統(tǒng)的控制,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。系統(tǒng)中水泵機(jī)組軟啟動(dòng)、交替循環(huán)工作方式使電網(wǎng)和管網(wǎng)免受沖擊,無(wú)水錘現(xiàn)象,延長(zhǎng)泵和閥等器件的使用壽命。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的壓力范圍可以通過(guò)頻率的調(diào)節(jié)而變化,所以,既節(jié)約了水資源,又節(jié)約了電能,同時(shí)避免了水源的二次污染。

        本文創(chuàng)新點(diǎn):利用PLC控制變頻器進(jìn)行PID運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)分級(jí)調(diào)速,結(jié)合HMI的應(yīng)用,使得系統(tǒng)的狀態(tài)顯示與控制更加靈活方便。該供水系統(tǒng)工作可靠、效率高,在節(jié)約水資源和電能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)礦務(wù)局商住樓恒壓供水的目的。

        [1] 三菱公司FX2N系列PLC軟. 硬件手冊(cè)[M]. 2003.

        [2] 海利普變頻器(HOLIP-P)使用說(shuō)明書.

        [3] 海利普變頻器選型手冊(cè), 2009.3.12.

        [4] MD204Lv4中文使用手冊(cè).

        [5] 高層住宅變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化), 2007, 23.

        [6] 變頻調(diào)速技術(shù)在采暖恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用. 電氣自動(dòng)化, 2007, 29(5).

        Design of constant pressure water supplying system with frequency conversion based on PLC and HMI

        WANG Xiao-yu1,2

        TN773

        A

        1009-0134(2011)5(下)-0120-03

        10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).36

        2010-12-23

        王曉瑜(1974-),女,陜西西安人,高級(jí)工程師,博士研究生,主要從事機(jī)械電子工程教學(xué)與科研工作。

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