PLC、触摸屏及变频器组合应用实现变频恒压供水

  1、引 言
        在工业现场控制领域，可编程控制器（PLC）一直起着重要的作用。随着国家在供水行业的投资力度加大，水厂运行自动化水平不断提高，PLC在供水行业应用逐步增多。触摸屏与PLC配套使用，使得PLC的应用更加灵活，同时可以设置参数、显示数据、以动画等形势描绘自动化过程，使得PLC的应用可视化。
        变频恒压供水成为供水行业的一个主流，是保证供水管网在恒压状态的重要手段。现代变频器完善的网络通信功能，为电机的同步运行，远距离集中控制和在线监控等提供了必要的支持。通过与PLC连接的触摸屏，可以使控制更加形象、直观，操作更加简单、方便。
        组合应用PLC、触摸屏及变频器，采用通信方式对变频器进行控制来实现变频恒压供水。
  

2、系统结构
        变频恒压供水系统主要由PLC、变频器、触摸屏、压力变送器、动力及控制线路以及泵组组成。用户可以通过触摸屏了解和控制系统的运行控制工程网版权所有，也可以通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20 mA或0～10 V标准信号送入PLC内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，PLC频率输出给定变频器的运行频率，从而调节水泵的转速，达到恒压供水。PLC设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。
        3、工作原理
        该系统有手动和自动两种运行方式。手动方式时，通过触摸屏或控制柜上的启动和停止按钮控制水泵运行，可根据需要分别控制1＃～3＃泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时使用。自动运行时，首先由1＃水泵变频运行
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，变频器输出频率从0 HZ上升，同时PID调节器把接收的信号与给定压力比较运算后送给变频器控制。如压力不够，则频率上升到50 HZ，由PLC设定的程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，使得1＃泵变频迅速切换为工频，2＃泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2＃泵由变频切换成工频，3＃泵变频启动；如用水量减少，PLC控制从先起的泵开始切除，同时根据PID调节参数使系统平稳运行，始终保持管网压力。
        若有电源瞬时停电的情况，则系统停机，待电源恢复正常后，人工启动，系统自动恢复到初始状态开始运行。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵的启动、停止、循环变频的全部操作过程。
        4、设备参数的设置
        在进行通信之前必须对PLC、触摸屏和变频器的通讯参数进行正确设置。本系统定义为Modbus协议，波特率为9600，数据位为8，无校验，停止位为1。变频器除设置通信参数外，还需启用“自由停车”以保护电机。
        5、PLC控制系统
        该系统采用三菱FX-200的PLC，继电器输出，PLC编程采用三菱PLC的专用编程软件，软件提供完整的编程环境，可进行离线编程、在线连接和调试。为了提高整个系统的性价比，该系统采用可编程控制器的开关量输入输出来控制电机的起停、自动投入、定期切换，供水泵的变频及故障的报警等，而且通过PLC内置的PID给定电机的转速、设定压力、频率、电流、电压等模拟信号量。
        以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切换工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁起停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中采用直接停工频泵的运行方式，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时间缺水的现象控制工程网版权所有，提高了供水品质。
        6、触摸屏界面设计和运行操作
        第一步：确认接通触摸屏电源，进入触摸屏欢迎界面，如图1。

        第二步：在欢迎界面中用一个手指轻压“进入系统”，进入“系统主画面”，如图 2。

        第三步：要进行参数设定。手指轻压“参数设定”，进入参数设定画面，如图3。

        点击时间后的数字可以弹出软键盘，在软键盘中设定切泵时间，单位为小时，设定后轻压“Enter”确认。按上面的方法依次设定加泵时间和减泵时间，单位为秒；用同样的方法对P、I值进行设定。
        第四步：轻压可以返回系统主画面，在主画面中轻压“状态画面”可以进入系统状态画面，如图4。

        轻压“系统压力设定”后面的方框，在软键盘上设定管网压力，单位为MPa，即1MPa＝10个压。
        第五步：轻压“启动”，启动PLC设定的程序，开始控制切泵，实现恒压供水。状态监视页面将会显示当前工作状态。
        在系统出现故障时，手指轻压“停止”后，水泵停止工作控制工程网版权所有，然后进行维护。
        7、结束语
        该系统采用PLC和变频器结合，系统运行平稳可靠，实现了真正意义上的无人职守的全自动循环切泵、变频运行，保证了各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转启动平稳，消除了启动大电流冲击，由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应。通过触摸屏上的组态画面就可进行供水压力的设定，监视设备运行状况同时可以查询设备故障信息，大大提高恒压供水系统的自动化水平及对现场设备的监控能力。