基于PLC和變頻器的供水控制系統設計研究

南京科技職業學院 朱麗琴

供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環。因此，供水過程控制具有實際應用意義。基于PLC和變頻器的供水控制系統模擬實際情況下水塔送水，系統配置主要由兩個水箱、一個泵以及各個支路上完成不同功能的執行部件和檢測元件組成。該系統通過傳感器檢測當前的壓力、流量和液位信號，送入PLC后控制變頻器驅動的水泵電機將下水箱中的水輸送到上水箱；溫度加熱器由一溫控模塊控制。通過變頻器控制水泵電機的運行速度，比如當水的液位高度達到設定值后，水泵停止供水。當液位低于設定值后水泵重新工作，給水塔供水。當水需要加熱時，給加熱絲供電，在達到設定的溫度值后會自動停止加熱。當溫度下降時又會自動加熱，如此循環。

1.系統組成及工作原理

1.1 系統組成

供水控制系統主要由流量、壓力、液位和溫度數據采集處理單元、變頻調速單元、各參數顯示單元等三部分組成。數據采集處理單元由PLC、AD及DA模塊組成，流量、壓力、液位和溫度顯示單元由觸摸屏負責，變頻調速單元由變頻器和水泵電機組合而成。

1.2 系統工作原理

PLC通過AD模塊來采集外部的模擬信號，再通過DA模塊來輸出控制的模擬信號。變頻器的控制方式為模擬量控制，模擬信號來自PLC輸出的模擬量。變頻器通過控制水泵電機轉速來達到調速的目的。觸摸屏主要功能是實時顯示溫度、壓力、流量及液位情況，同時可以通過觸摸屏設定需要的控制值，使用觸摸屏可以減少外部按鈕的使用量，從而達到減少外部接線的目的。

以流量測控過程為例，其測控模型如圖1所示。流量測量首先是由流量變送器來實現的。流量測量的過程就是通過流量變送器將管路的水流量轉換成4～20mA電流信號。電流信號是模擬量信號，需要通過A/D轉換器轉換成數字量信號再輸入PLC控制器，PLC可進行PID控制，PID控制即比例、積分、微分控制。流量變送器實時采集的流量值與系統設定值進行比較，差值作為PID模塊輸入，PID控制算法根據比例、積分、微分系數計算出合適的輸出控制參數，PID輸出的結果經D/A轉換控制執行機構（水泵電機）動作來進行調節和控制，從而實現對流量的閉環控制過程。

壓力和液位的測控過程類似于流量測控過程。溫度測控過程有所不同。溫度變送器將上水箱水溫轉換成4～20mA電流信號，經FX2N-4AD-PT模塊送入PLC，PLC經過比較溫度當前值和設定值決定是否需要接通固態繼電器，若固態繼電器接通則進行加熱。一般設定的溫度值大于當前水溫。

2.系統軟硬件設計

供水過程控制系統的被控對象為上下水箱，被控量為壓力、流量、液位和溫度。位置較低的為供水水箱，包括有進出水口和排水口，位置較高的為回水水箱，包括有進出水口、溢流口及排水口。保護裝置包括浮球液位開關、二通電磁閥、單向閥等。檢測系統包括超聲波傳感器、壓力變送器、流量變送器和溫度變送器。PLC采用三菱公司的FX2N-32MT，該基本單元具有16點輸入，16點輸出，輸出形式為晶體管輸出。變頻器采用FR-E740-0.75K-CHT，三相電源輸入，輸出容量0.75KW。觸摸屏型號為GT1575-STBA。GT09-C30USB-5P用于個人計算機(USB)與GOT(USB mini-B)之間的連接；SC-09用于觸摸屏和PLC間的通訊。

供水過程控制系統數字量輸入點有5個，包括上下水箱兩個浮球開關、啟動、停止及急停按鈕；數字量輸出點有3個，包括加熱、變頻器啟停、回水閥控制。其中外部接線的按鈕控制其實也可以通過觸摸屏控件實現。另外模擬量輸入端包含液位、壓力、流量、溫度測量值；模擬量輸出端包含變頻器控制值。

供水過程控制系統的PLC程序流程圖如下圖2。

FR-E740-0.75K-CHT變頻器主要參數設置如下：

上限頻率：Pr.1=50Hz

下限頻率：Pr.2=0Hz

基準頻率：Pr.3=50Hz

加速時間：Pr.7=3s

減速時間：Pr.8=3s

啟動頻率：Pr.13=10Hz

操作模式：Pr.79=2（外部運行模式）

3.觸摸屏設計及運行監視

圖1 流量測控模型

圖2 PLC程序流程圖

總控制界面【監視切換區】中設置了四個“畫面跳轉”參數按鈕、3個工作指示燈，【設定區】中設置了啟動按鈕、停止按鈕及急停控制按鈕、回水閥開關、流量控制開關和壓力控制開關。注：壓力控制和流量控制不可同時進行。

以流量設計畫面為例，設置PID的比例增益、積分時間和微分增益；設定流量目標值，啟動“流量控制”；系統開始運行，通過調節參數，觀察流量曲線穩定在設定值。運行時“電機運行”指示燈為ON。按下“停止”按鈕，系統停止運行。“回水閥”用來手動控制回水電磁閥的開關，程序在自動運行時，該閥可以由程序控制。回水閥打開時，“回水指示”燈為ON。

當變頻器參數、PLC程序和觸摸屏畫面設計均完成后，運行供水過程控制系統，從各參數畫面和總控制界面中可以實時了解到系統相關的信息。比如，各參數的當前值，還有變化趨勢曲線。通過不斷地優化PID參數，達到良好的控制效果。

4.系統調試

通過系統調試來增加整個供水過程控制系統的精度，檢驗裝置是否達到規定的控制要求。

檢測和執行部分的調試：檢查各個器件是否完好，確定水位在合適的位置，確定每個裝置的初始狀態。以勻速運行水泵，確定裝置不存在漏水現象，檢查傳感器是否按要求接在對應的模塊上。

電氣部分的調試：主要檢查電器元件是否完好，主電路是否存在短路或漏電現象，控制回路輸入輸出信號連接是否正確。

系統整體調試：將執行檢測部分與電氣部分進行連接并正確設置變頻器參數。給裝置通電并向PLC中寫入主程序，在軟件中運行監視使用強制運行命令，對程序進行檢查，觀察程序實時運行狀況。按照現場給出的要求將傳感器檢測值與現場設定值進行比較，利用PID調節減小誤差，提高整個裝置的精度。記錄下每次運行時各傳感器的參數，水泵在不同頻率下達到一定水位所需要的時間，考慮水泵停止時慣性對水量的影響，根據所得的參數對整個系統進行調試。

5.結論

該系統能夠實現無級變頻調速，水泵電機的轉速能夠達到所需的精度，同時使電機在最節能的轉速下運行，并且通過觸摸屏能夠對電機的運行進行實時監控。調試結果表明，該系統可以進行恒定流量控制、恒定壓力控制、恒定液位控制和恒定溫度控制，達到了控制要求，并且精度較高。在對過程控制系統設計時，對系統穩、快、準都做了全面的調試和驗證。例如恒液位控制，采用變頻器模擬量控制水泵技術，用超聲波液位傳感器進行液位定位，可以在較短的時間內達到設定的液位高度（見圖1、圖2）。