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        基于職業(yè)院校的“恒壓供水系統(tǒng)”實(shí)訓(xùn)裝置研發(fā)

        2014-03-30 10:09:01施立群汪凱
        電大理工 2014年1期
        關(guān)鍵詞:恒壓模擬量水壓

        施立群汪凱

        遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院(沈陽 110161)

        基于職業(yè)院校的“恒壓供水系統(tǒng)”實(shí)訓(xùn)裝置研發(fā)

        施立群汪凱

        遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院(沈陽 110161)

        在“加強(qiáng)職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備自主研發(fā)”的理念指導(dǎo)下,結(jié)合我院對(duì)學(xué)生綜合實(shí)訓(xùn)技能培養(yǎng)目標(biāo)的要求,設(shè)計(jì)出一套由三菱FX2N-48MR型PLC、三菱FR-E740變頻器、三菱觸摸屏、壓力變送器、水泵機(jī)組等主要設(shè)備構(gòu)成的變頻恒壓供水實(shí)訓(xùn)裝置。

        恒壓供水 PLC 變頻器

        近年來,國家提倡大力發(fā)展高等職業(yè)教育,高等職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)是培養(yǎng)高技能人才的關(guān)鍵,如今多數(shù)職業(yè)院校都以外購實(shí)訓(xùn)裝置為主,其實(shí)訓(xùn)設(shè)備的功能與學(xué)生的知識(shí)技能要求總會(huì)有些差異,為了讓實(shí)訓(xùn)裝置更好的與學(xué)生技能結(jié)合,我們進(jìn)行了實(shí)訓(xùn)裝置自主研發(fā)。恒壓供水系統(tǒng)是典型的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),在工程上具有一定實(shí)際意義,它包含了PLC、變頻器、傳感器等多方面知識(shí),有利于學(xué)生的綜合技能的提高。

        1 設(shè)計(jì)思想

        采用PID閉環(huán)控制算法,通過壓力變送器采集供水管網(wǎng)的水壓和實(shí)際水壓預(yù)設(shè)值比較,利用PLC內(nèi)部PID控制指令對(duì)二者偏差進(jìn)行運(yùn)算給出調(diào)節(jié)量,從而控制變頻器的輸出頻率,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,維持水壓恒定。該系統(tǒng)利用三菱觸摸屏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作、變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行等功能,并可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水壓、終端水箱水位和報(bào)警等信息。

        2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)采用三菱FX0N-3A特殊功能模塊,該模塊具有兩路標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入和一路模擬量輸出。模擬量輸入1口接到了壓力變送器上,壓力變送器將供水管網(wǎng)中的實(shí)際的水壓值轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào),該電流信號(hào)通過模擬量輸入模塊1口轉(zhuǎn)換成0-250數(shù)字量傳送給PLC,模擬量輸入2口接到了液位傳感器上,液位傳感器將終端水箱中的實(shí)際水位值轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào),該電流信號(hào)通過模擬量輸入模塊2口轉(zhuǎn)換成0-250數(shù)字量同樣傳送給PLC。系統(tǒng)中的PLC采用的是三菱FX2N-48MR型PLC,三菱PLC具有編程簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn),它將模擬量輸入模塊的變換后的兩路0-250數(shù)字量進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算,得出實(shí)際的水壓和水位值存儲(chǔ)在PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器中。利用PLC內(nèi)部的PID指令對(duì)實(shí)際的水壓值和給定的水壓值比較,并將二者偏差進(jìn)行PID運(yùn)算,將運(yùn)算結(jié)果送到FX0N-3A模擬量輸出模塊中,F(xiàn)X0N-3A模擬量輸出模塊可以將PLC運(yùn)算后的0-250數(shù)字量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào),最后將變換后的電流信號(hào)傳送給變頻器,系統(tǒng)中的變頻器采用的是三菱FR-E740變頻器,變頻器設(shè)置為模擬量電流輸入,通過輸入的4-20mA電流控制變頻器輸出0-50Hz頻率的輸出,通過改變變頻器的輸出頻率調(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。用觸摸屏采集PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中的水壓值和水位值,并顯示在觸摸屏上,并在觸摸屏上完成水壓值的給定。觸摸屏采用三菱5.7寸單色觸摸屏,具有位設(shè)計(jì)和畫面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單特點(diǎn)。同時(shí)觸摸屏上還設(shè)置了水壓給定啟動(dòng)控制、水壓水位報(bào)警等信息。系統(tǒng)中除了變頻運(yùn)行外還設(shè)置了工頻運(yùn)行,工頻運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行變頻啟動(dòng),當(dāng)頻率達(dá)到50Hz后切斷變頻器,直接加在三相電源上,實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行,節(jié)省了能源。

        3 電氣控制電路的設(shè)計(jì)

        電氣控制電路的設(shè)計(jì)最主要是需要注意強(qiáng)弱電間的隔離問題。PLC輸入端電壓為直流24伏,輸出端子額定電流雖然能達(dá)到2A,但是一般不直接和交流接觸器進(jìn)行連接,而是通過中間繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,利用中間繼電器的觸點(diǎn)和接觸器的線圈串聯(lián),控制中間繼電器觸點(diǎn)的閉合控制接觸器線圈的得電和失電,從而控制電機(jī)的動(dòng)作。一臺(tái)電機(jī)既接工頻電源又接變頻電源是不允許的,所以在控制電路的設(shè)計(jì)中就對(duì)電機(jī)的工頻和變頻運(yùn)行的接觸器作了互鎖保護(hù)。變頻器也不允許同時(shí)拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī),因此各個(gè)電機(jī)的變頻運(yùn)行也要進(jìn)行互鎖保護(hù)。

        4 確定PID參數(shù)

        系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,對(duì)PID控制算法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,同時(shí)對(duì)PID設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。首先要確定采樣周期,選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)牟蓸又芷?,周期太小,?huì)使積分和微分作用不明顯,水壓變化緩慢,有延遲性,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性也比較大,采樣周期的選擇要與之相適應(yīng),否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)控制器的輸出值變化,因此采樣周期可以選取稍微大一些。其次要確定KP、KI、KD的值,采樣周期選定后,運(yùn)行系統(tǒng),略去PID中的積分和微分,只保留比例單獨(dú)作用,然后在當(dāng)前的比例環(huán)節(jié)下逐漸減小比例,直到整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生振蕩,同時(shí)記錄下系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)的比例度及振蕩周期,選擇好控制度,通過運(yùn)算查表求得參數(shù)KP、KI、KD的值。最后根據(jù)得出的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,確定最最終使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)。

        5 抑制干擾的措施

        變頻器的運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有干擾作用,因?yàn)樽冾l器的輸出電壓、電流存在很多高次諧波,高次諧波對(duì)負(fù)載直接干擾,同時(shí)通過電纜向空間輻射,因此對(duì)PLC與特殊功能模塊的通信以及PLC與觸摸屏的通信的干擾是非常大的。首先將所有與變頻器相連接的設(shè)備又要接地,最好作到共地,其次系統(tǒng)中的控制線纜最好用屏蔽電纜,同時(shí)屏蔽電纜要與電源電纜進(jìn)行交叉,最好是90度交叉。最后在變頻器上串入電抗器,降低變頻器產(chǎn)生的高次諧波。

        6 控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試

        現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試主要是對(duì)PLC程序的調(diào)試與運(yùn)行、PID參數(shù)的調(diào)整以及觸摸屏調(diào)試及運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。第一,先進(jìn)行PLC程序的調(diào)試和檢查,盡管模擬運(yùn)行的時(shí)候系統(tǒng)能夠正常工作,但是實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)有很多無法預(yù)料的因素,必須通過PLC和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)備連接、運(yùn)行、調(diào)試,發(fā)現(xiàn)問題立即修正。第二,PID參數(shù)的確定,由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)干擾很大,采樣信號(hào)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),所以光靠理論求得的參數(shù)往往不是很可靠,必須通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試,最后確定參數(shù),這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第三,PLC功能模塊的調(diào)試,我們必須要保證PLC功能模塊轉(zhuǎn)換后的信號(hào)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),因此要對(duì)輸入輸出模塊進(jìn)行調(diào)試,我們向模塊中輸入或?qū)懭?-20 mA電流或0-250數(shù)字量,輸入輸出模塊所輸出的或?qū)懭隤LC的也應(yīng)該是4-20 mA電流或0-250數(shù)字量,PLC功能模塊輸入輸出的是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),系統(tǒng)才能穩(wěn)定。第四,壓力變送器和液位傳感器的安裝調(diào)試,調(diào)整傳感器,使輸出的信號(hào)是4-20 mA電流信號(hào),并多次實(shí)際采樣水位和水壓,保證傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性特征。第五,觸摸屏及其功能調(diào)試,PLC與觸摸屏通信連接后,在觸摸屏上進(jìn)行水壓的給定,水壓水位的顯示,以及運(yùn)行控制。第六,報(bào)警顯示的調(diào)試,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來測(cè)試PLC與觸摸屏的報(bào)警是否正確,否則按照預(yù)定的調(diào)整和改正。

        總之,系統(tǒng)在安裝過程中,針對(duì)各種各種干擾因素和出現(xiàn)的問題,不斷的完善和改進(jìn),從運(yùn)行情況上看,達(dá)到了預(yù)期的效果,能夠穩(wěn)定的可靠的實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目標(biāo)。本次實(shí)訓(xùn)裝置的自主研發(fā)對(duì)我院整個(gè)實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)有著重大的意義。

        [1]王瑞蘭.基于模糊PID控制的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2007,7(6).

        [2]黃金波,郭麗春.可編程控制器在自動(dòng)給水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2002,(3):338-339.

        [3]賀玲芳等.基于PLC控制的全自動(dòng)變頻恒壓供水系統(tǒng)[J].西安科技學(xué)院學(xué)報(bào),2000,(3):243-245.

        [4]崔金貴.變頻凋速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2004,(1):84.

        [5]謝莉萍,梁慧冰,沈起奮.自來水加壓站PLC控制恒壓供水系統(tǒng)[J].電氣活動(dòng),2008,(4):34

        文婷)

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