PLC在供水系统中的应用

摘 要:本文介绍了PLC系统对自来水厂配水设备的自动控制。根据装置的特点和用户的使用情况,选用增量式PID调节。并通过软件和硬件的合理配合,使系统实现软启、软停及恒压供水。

关键词:PLC;自动控制;PID;恒压供水

1 前言

  可编程逻辑控制器(PLC)是八十年代发展起来的是集自动化技术、计算机技术和通信技术于一体的新一代工业控制装置。

  根据我国北方水资源相对缺乏的现状,利用PLC控制水泵进行直接供水,实现无塔供水,故恒压供水显得尤为重要。

2 硬件设计

  2.1 系统控制框图(见图1)


(图 1)

  2.2 系统基本工作原理

  首先根据供水楼层来设定供水压力,以保证最高层有足够的压力。因为当用户用量增大时,压力传感器检测到的水压就变小,这时实际水压与设定水的偏差越大。根据偏差的大小来决定启动泵的数量,此时必须加大流量,以满足用户的增多;当用水量减少时,输出的压力就会增加,偏差越小,根据这个偏差值来决定关闭泵的数量,用来最大限度地节省电能。当发生火灾时,四台泵同时起动,以保证最大的供水量。利用泵的数量来满足用水量以实现恒压供水。

  2.3 系统硬件配置

  三菱变频器 1台 热继电器 4台

  接触器 8台 变频电机 4台

  空气开关 1只 三相保险盒 6套

  上位计算机 1套 模拟量模块 1 块

  三菱通讯卡 1套 三菱PLC 1台

  2.4 系统软启、软停主电路:(见图2)


(图2)

 
  2.5 系统结构框图

  为了实现恒压供水,要求这种控制系统具有很大的灵活性。控制参数易于变动,数据记录功能完善。针对这些要求与特点,确定控制系统采用两级监控制方案,结构图如右(见图3):


(图 3)

  2.6 系统工作方式选择

  该系统可以用万能转换开关选定系统手动、自动工作方式。手动、自动时每台水泵均可由变频器进行软起动、软停止,四台水泵二用二备、并能自动识别。当用水量小时一台水泵运行,用水量大时二台水泵运行,火警时四台水泵同时供水。利用程序进行定时选择水泵工作方式。在自动运行过程中,若两台水泵供水压力低时既可由软件自动嵌入第三台水泵工作,也可手动起动第三台水泵,投入运行。在手、自动时每台水泵均由变频器按水泵工作曲线切换,通过对变频器编程。编程思路:转速n小时频率f低,但频率f不能低于6Hz, 否则电机会处于弱磁状态;n增加时f上升,n稳定在额定值时f = 50Hz(或略低于50 Hz),变频器切换完成。

3 软件设计

  3.1 控制程序流程图(见图4)


(图 4)

  3.2 PID调节以实现恒压供水

  该系统为了克服内存容量的不足,我们选用增量式PID控制,即输出量是两个采样周期值之差e(k),控制器的输出增量为△U(k)。表达式如下:

  △U(k)=U(k)-U(k-1)

  =Kp{e(k)-e(k-1)+ T* e(k ) /T2+T0[e(k)-2e(k-1)+e(k-2) ]/T}

  =Kp[(1+T/T2+T0/T)*e(k)-(1+2T0/T)*e(k-1)+T0*e(k-2)/T]

  =K1*e(k)-K2*e(k-1)+K3*e(k-2)

  其中:K1、K2、 K3为经验系数,需要现场调试修改。

  e(k)、 e(k-1)、e(k-2)为对应采样时刻的偏差。

  当用水量增加时,Uf减小,e(k)增大,需要添加水泵供水,以达到设定水压,通过这种方法实现恒压供水。增量式控制程序框图(见图5)。

  3. 3 数字滤波来保证采样数据的准确性

  为了防止瞬时抖动,提高采样数据的准确性,采用两种处理方法:

  1、当采样值比最大值还大时,我们取最大值为这次的采样值。

  2、考虑到精度的要求不高,我们采用数字滤波中的平均值滤波方法。流程图如下:


(图 5)


(图 6)

  3.4 编程思路及安全连锁

  工艺控制(控制对象主要是对4台水泵的控制)按用户用水量的大小,可自动完成工作过程的控制。利用优先级控制:压力的优先级比时间的优先级高,来确保压力恒定。通过对变频器的编程,使变频器按照水泵的特性曲线来工作,从而有效地使水泵的起动和停止较为平稳。换句话说,可实现水泵的软起、软停。

  为了降低系统成本,打破常规思维,我们对热继电器的状态不进行检测,利用热继电器的常闭触点(用继电器控制思路)对它所保护电机的接触器线圈实行硬件闭锁,利用程序对各控制电机实行软件闭锁。根据配水厂的要求可现场任意修改联锁方式:下位机程序联锁、上位机程序脚本联锁。

  通过上述三种联锁方式,足可以保证工作过程、人员与设备的安全。

  3.5 工作数据的处理

  对文中的配水装置而言,数据查阅功能显得尤为重要。通过对配水历史数据查阅,可以系统的分析用户的总用水情况,为降低供水成本修改程序提供依据。通过对动态数据的查阅,可以使系统管理员对系统的动态过程能够很好的监控,从而有效地、合理的分配水资源。在上位计算机的Win—BC组态软件中,通过标鉴记录可实现上述功能。

  3.6 报表输出及监控

  在配水实际过程中的报表可分为两类:(1)定时报表(例如:小时数据流水帐报表);(2)动态数据分析报表。在上位计算机的Win—BC组态软件中,报表的编辑器可实现这些功能:将鼠标放在某一对象上,可弹出相应的文字说明并持续一段时间,有助于操作人员对配水流程的进一步了解。

4 结束语

  本文所描述的增量式PID控制的DCS系统完全能满足配水厂的供水要求,且具有功能完善、使用方便、控制精确等特点,稍加变化可适合任何需要恒压流量(液压)系统。该系统在北方各大楼宇试用,效果较为理想。消防设备均可采用这种方式供水。针对不同的系统需稍加更改,这一点需要注意。

参考文献:

  [1] 黄一夫. 微型计算机控制技术. 机械工业出版社会. 1997.5

  [2] 钟肇新. 可编程控制器原理及应用. 华南理工大学出版社. 1998.5

  [3] 同志工作室. Borland c++开发技巧例教程. 人民邮电出版. 2000.5

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