基于職業院校的“恒壓供水系統”實訓裝置研發

施立群汪凱

遼寧裝備制造職業技術學院（沈陽 110161）

基于職業院校的“恒壓供水系統”實訓裝置研發

施立群汪凱

遼寧裝備制造職業技術學院（沈陽 110161）

在“加強職業院校實訓設備自主研發”的理念指導下，結合我院對學生綜合實訓技能培養目標的要求，設計出一套由三菱FX2N-48MR型PLC、三菱FR-E740變頻器、三菱觸摸屏、壓力變送器、水泵機組等主要設備構成的變頻恒壓供水實訓裝置。

恒壓供水 PLC 變頻器

近年來，國家提倡大力發展高等職業教育，高等職業院校實訓基地建設是培養高技能人才的關鍵，如今多數職業院校都以外購實訓裝置為主，其實訓設備的功能與學生的知識技能要求總會有些差異，為了讓實訓裝置更好的與學生技能結合，我們進行了實訓裝置自主研發。恒壓供水系統是典型的閉環調節系統，在工程上具有一定實際意義，它包含了PLC、變頻器、傳感器等多方面知識，有利于學生的綜合技能的提高。

1 設計思想

采用PID閉環控制算法，通過壓力變送器采集供水管網的水壓和實際水壓預設值比較，利用PLC內部PID控制指令對二者偏差進行運算給出調節量，從而控制變頻器的輸出頻率，調節電機轉速，維持水壓恒定。該系統利用三菱觸摸屏實現遠程操作、現場手動操作、變頻運行和工頻運行等功能，并可以實時顯示當前水壓、終端水箱水位和報警等信息。

2 系統總體設計

本系統采用三菱FX0N－3A特殊功能模塊，該模塊具有兩路標準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中的實際的水壓值轉換成4-20mA的電流信號，該電流信號通過模擬量輸入模塊1口轉換成0-250數字量傳送給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際水位值轉換成4-20mA的電流信號，該電流信號通過模擬量輸入模塊2口轉換成0-250數字量同樣傳送給PLC。系統中的PLC采用的是三菱FX2N-48MR型PLC，三菱PLC具有編程簡單易懂的特點，它將模擬量輸入模塊的變換后的兩路0-250數字量進行浮點運算，得出實際的水壓和水位值存儲在PLC內部的數據寄存器中。利用PLC內部的PID指令對實際的水壓值和給定的水壓值比較，并將二者偏差進行PID運算，將運算結果送到FX0N－3A模擬量輸出模塊中，FX0N－3A模擬量輸出模塊可以將PLC運算后的0-250數字量轉換成4-20mA電流信號，最后將變換后的電流信號傳送給變頻器，系統中的變頻器采用的是三菱FR-E740變頻器，變頻器設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節水泵電動機的轉速，實現恒壓供水。用觸摸屏采集PLC內部數據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，具有位設計和畫面設計簡單特點。同時觸摸屏上還設置了水壓給定啟動控制、水壓水位報警等信息。系統中除了變頻運行外還設置了工頻運行，工頻運行時先進行變頻啟動，當頻率達到50Hz后切斷變頻器，直接加在三相電源上，實現工頻運行，節省了能源。

3 電氣控制電路的設計

電氣控制電路的設計最主要是需要注意強弱電間的隔離問題。PLC輸入端電壓為直流24伏，輸出端子額定電流雖然能達到2A，但是一般不直接和交流接觸器進行連接，而是通過中間繼電器進行轉換，利用中間繼電器的觸點和接觸器的線圈串聯，控制中間繼電器觸點的閉合控制接觸器線圈的得電和失電，從而控制電機的動作。一臺電機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計中就對電機的工頻和變頻運行的接觸器作了互鎖保護。變頻器也不允許同時拖動多臺電機，因此各個電機的變頻運行也要進行互鎖保護。

4 確定PID參數

系統設計完成后，對PID控制算法進行現場調試，同時對PID設置的參數進行調整。首先要確定采樣周期，選擇一個適當的采樣周期，周期太小，會使積分和微分作用不明顯，水壓變化緩慢，有延遲性，執行機構的慣性也比較大，采樣周期的選擇要與之相適應，否則執行機構來不及反應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，運行系統，略去PID中的積分和微分，只保留比例單獨作用，然后在當前的比例環節下逐漸減小比例，直到整個系統發生振蕩，同時記錄下系統發生振蕩時的比例度及振蕩周期，選擇好控制度，通過運算查表求得參數KP、KI、KD的值。最后根據得出的參數進行現場調試，通過適當的調整，確定最最終使系統穩定的參數。

5 抑制干擾的措施

變頻器的運行對整個系統具有干擾作用，因為變頻器的輸出電壓、電流存在很多高次諧波，高次諧波對負載直接干擾，同時通過電纜向空間輻射，因此對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備又要接地，最好作到共地，其次系統中的控制線纜最好用屏蔽電纜，同時屏蔽電纜要與電源電纜進行交叉，最好是90度交叉。最后在變頻器上串入電抗器，降低變頻器產生的高次諧波。

6 控制系統的安裝調試

現場調試主要是對PLC程序的調試與運行、PID參數的調整以及觸摸屏調試及運行，當系統安裝完成后進行現場調試。第一，先進行PLC程序的調試和檢查，盡管模擬運行的時候系統能夠正常工作，但是實際現場有很多無法預料的因素，必須通過PLC和現場的實際設備連接、運行、調試，發現問題立即修正。第二，PID參數的確定，由于實際現場干擾很大，采樣信號會產生波動，所以光靠理論求得的參數往往不是很可靠，必須通過現場進行調試，最后確定參數，這樣才能保證系統的穩定性。第三，PLC功能模塊的調試，我們必須要保證PLC功能模塊轉換后的信號是一個標準信號，因此要對輸入輸出模塊進行調試，我們向模塊中輸入或寫入4-20 mA電流或0-250數字量，輸入輸出模塊所輸出的或寫入PLC的也應該是4-20 mA電流或0-250數字量，PLC功能模塊輸入輸出的是標準信號，系統才能穩定。第四，壓力變送器和液位傳感器的安裝調試，調整傳感器，使輸出的信號是4-20 mA電流信號，并多次實際采樣水位和水壓，保證傳感器在其測量范圍內具有良好的線性特征。第五，觸摸屏及其功能調試，PLC與觸摸屏通信連接后，在觸摸屏上進行水壓的給定，水壓水位的顯示，以及運行控制。第六，報警顯示的調試，通過現場實際情況來測試PLC與觸摸屏的報警是否正確，否則按照預定的調整和改正。

總之，系統在安裝過程中，針對各種各種干擾因素和出現的問題，不斷的完善和改進，從運行情況上看，達到了預期的效果，能夠穩定的可靠的實現恒壓供水的目標。本次實訓裝置的自主研發對我院整個實訓基地的建設有著重大的意義。

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

[2]黃金波,郭麗春．可編程控制器在自動給水系統中的應用[J].遼寧工程技術大學學報自然科學版,2002,（3）:338-339.

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

[4]崔金貴.變頻凋速恒壓供水在建筑給水應用的理論探討[J]．蘭州鐵道學院學報，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[J].電氣活動,2008,（4）:34

文婷）