第8卷第3期貴陽學院學報(自然科學版) (季刊)Vol.8 No. 3JOURNAL OF GUIYANG COLLEGE2013年9月Natural Sciences ( Quarterly )Sep. 2013PLC與變頻器在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用楊秋萍,李疆(貴陽學院教學設(shè)備及實驗管理中心,貴州貴陽550005 )摘要:針對工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)的控制要求，利用PLC、變頻器和三菱的其他工控器件對工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)進行自動化改造，采用PID策略對系統(tǒng)的各種模擬量進行實時控制，實現(xiàn)了工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)的優(yōu)化.控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理，能適應(yīng)大多數(shù)工業(yè)水循環(huán)處理需求，具有廣泛的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞:循環(huán)水系統(tǒng); PLC; 變頻器中圖分類號: TP273文獻標識碼: A文章編號: 1673 -6125 (2013) 03 -0022 -04The Application of PLC & Inverter in the Water - cycling System of IndustrialYANG Qiu-ping, LI Jiang(Center of Teaching Engineering and Laboratory Management, Guiyang University, Guiyang 50005 , China)Abstract : Automatic control for various aspects of waler - cycling system requirements, and it is used PLC and Inverterin use of the water - cycling automation renovation system in industrial, Stralegies such as used the PID synthesis of theanalog quantity of water - cyeling, optimizing the operation and optimization of management, it has a good applicationvalue for most water - cycling automation renovation system requirements.Key words :Circulating water system;PLC ;inverter0引言1系統(tǒng)功能隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,工業(yè)化進程不斷加工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)如圖1所示,其工作流程快,工業(yè)耗水量呈逐年增長趨勢,工業(yè)用水已占用為:水泵運行時將蓄水池中的水打人注水管,并輸我國總?cè)∷康乃姆种弧?在工業(yè)用水中的70送至各個需要冷卻的設(shè)備,對設(shè)備進行降溫后的高- 80%是冷卻用水,一次性水冷卻不僅造成了水資溫水經(jīng)過冷卻塔,冷卻塔的風機運轉(zhuǎn),高溫水在填源的嚴重浪費和環(huán)境的污染,同時也增加了生產(chǎn)成料層中 與空氣充分進行熱交換后流回儲水池。系本,因此工業(yè)循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)應(yīng)運而生,并在統(tǒng)設(shè)有補水管用來補充自然水,排污口可以排除循電力、化工、冶金、石油機械、食品等行業(yè)中得到了環(huán)水中夾帶的雜質(zhì)、污垢和達不到溫度要求的冷卻廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)均采用.水。繼電器和人工控制方式,系統(tǒng)的穩(wěn)定性差,能耗較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng),水泵的起停及閥門的開閉均高。筆者利用PLC對工業(yè)循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)進由人工手動操作,不僅造成人力資源的浪費,且一行改造,提高系統(tǒng)中循環(huán)冷卻水的利用率和減少系旦發(fā)生緊急情況,人工的響應(yīng)稍有遲緩,未能及時統(tǒng)的運行能耗,達到節(jié)水節(jié)電的目的。切換至備用水泵機組,將給工業(yè)生產(chǎn)帶來不可估量收稿日期:2013 -01 -27基金項目:2012年貴陽市科技局工業(yè)振興科技計劃項目。中國煤化工作者簡介:楊秋萍(1985 -).女.貴州岑鞏人，貴陽學院助理實驗師。主要研究方向:控.CCHCNMHG李疆( 1969-),男,貴州貴陽人,貴陽學院副教授、高級工程師、碩士。主要研究刀向:工，日列化。一22一的損失。系統(tǒng)的壓力和流量靠閥門和旁通來調(diào)節(jié)，況和系統(tǒng)維修時臨時使用。水泵電機不能根據(jù)負荷的大小自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,電機2硬件設(shè)計直運行在工頻下,耗費大量電能,同時電機啟動時電流較大.轉(zhuǎn)矩較小,啟動和停泵時對泵本身及如圖2所示系統(tǒng)采用三菱FX3U-32 PLC作系統(tǒng)的其他機械部分造成很大的沖擊,將加速系統(tǒng)為控制核心,利用FX2N -4AD特殊功能模塊將壓各個部件的損耗,加大維修維護成本。(2]強流量、液位、溫度傳感器采集的模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳送給PLC、PLC中的微處理器對AD模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進行計算和處理,輸出開關(guān)量經(jīng)/冷卻塔FX2N -4DA模塊轉(zhuǎn)換成模擬量后,通過三菱變頻器A700實現(xiàn)水泵電機的無極變速,自動調(diào)節(jié)注水管的壓力和流量。系統(tǒng)采用三菱觸摸屏GTI 1055補新水廠-QBBD-C作為控制操作面板進行控制操作.參數(shù)設(shè)定狀況監(jiān)視和報警處理。蓄水池.GT1 1055 QBBD C(觸撲屏)壓強傳感器圖1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)示意圖↑IFig.1 Schematic diagram of Water - cycling System針對這些問題,本文利用PLC、變頻器與人機流量傳感器MFX2N- 4DA-FX3u-32M (PLC )界面相結(jié)合對傳統(tǒng)的工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)進行改造,提:高了系統(tǒng)的自動控制水平,系統(tǒng)的液位、溫度、壓溫度傳感器FX2N 2DA強流量均可通過人機界面進行監(jiān)視和控制,減少人力投人;實現(xiàn)水泵電機根據(jù)負荷大小平滑地自動液位傳感器A700(變頻器)水泵電.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,減少電能損耗;實現(xiàn)電機組的自動切換，動機組提高系統(tǒng)的可靠性;對水泵電機進行軟啟動,消除圖2控制 系統(tǒng)設(shè)計電流沖擊和機械沖擊,延長系統(tǒng)的使用壽命。系統(tǒng)Fig.2 Design of the control system具體的控制要求: .(1)蓄水池的水位應(yīng)恒定在設(shè)定值,并實時顯3控制原理示液位高度。在蓄水池中安裝液位傳感器,當水位低于設(shè)定值時補水管的電磁閥打開補充自然水,當3.1 控制算法水位到達設(shè)定值時,電磁閥自動關(guān)閉。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,需實現(xiàn)溫度、液位、壓力(2)冷卻水的溫度不得高于設(shè)定值,考慮到夏和流量的實時控制,而這些模擬量具有非線性、時季氣溫較高時,經(jīng)冷卻塔處理過的水溫不一定能達變性滯后性等特點,控制較為困難,故采用較為成到要求，當溫度超出設(shè)定值時可打開排污口的電磁熟的PID作為控制算法。[3]理想的PID算法如2-閥排除超溫水,并通過補充自然水來降低水溫,當1式,達到水溫要求時,關(guān)閉兩個電磁閥,系統(tǒng)恢復(fù)至正常的工作狀態(tài)。()=k[()+fe(o)du+rde()] (2-1)d(3)注水管的水壓和流量應(yīng)該恒定在具體的系統(tǒng)中的液位、壓強和流量控制均屬于有靜設(shè)定值,在注水管處安裝--個壓力傳感器和流量傳差,即偏差e(t)=0時,仍然需-個恒定的控制量感器對流量和壓力進行實時監(jiān)控,通過變頻器來調(diào)進行輸出,不能采用PID的計算值直接去控制,故節(jié)水泵電機。(4)當液位、溫度、壓力達到上下限值時進行采用當前PID輸出值hv加上前一次PID輸出值hx_1作為控制量進行控制,如3-1式報警。(5)系統(tǒng)需配置1套備用水泵電機組,以備在控制量=hv+k,-1不斷進行累中國煤化工統(tǒng)達到穩(wěn)定。主水泵電機發(fā)生故障時切換使用。當出現(xiàn)負的;MYHCNMHG為零,此時需(6)系統(tǒng)具有手動控制功能,便于遇到緊急情-.23一.采用控制量加上負的偏差值使控制量減少下來。開始設(shè)定值.偏差↓Rn控制輸出午擾ML系統(tǒng)初始化x +QEnx18十 控制_]c九被控對爾文↓參數(shù)設(shè)定圖3控制算法框圖Fig. 3 Block diagram of the control algorithm輸人量讀取3.2壓力和流 控制液位判斷N系統(tǒng)中壓力和流量的控制較液位和溫度的控制相對復(fù)雜,也是系統(tǒng)最重要的控制參數(shù)。在工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)中一臺水泵電機- -般往往無法滿DA轉(zhuǎn)換足壓力和流量需求,該控制系統(tǒng)中一個水泵電機組液位模塊運行}包含了3臺水泵電機,根據(jù)冷卻水的用量不同，每個電機都可以工作在變頻和工頻兩種模式下[4)，溫度判斷N↓變頻器先拖動1號泵啟動并自動進行變頻操作,如溫度模塊運行一十當頻率上升至50HZ時,壓力和流量仍未達到要求，則將1號泵切換至工頻狀態(tài),同時用變頻器啟壓強流量判斷動2號泵,根據(jù)系統(tǒng)用量依次增加水泵,用PLC經(jīng)PID運算的值來控制變頻器的輸出頻率,直至滿足Y系統(tǒng)需求。4軟件設(shè)計文壓強流量模塊運行十是否停止4.1 PLC 程序設(shè)計PLC程序設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)各種外部輸入L停止信號,判斷系統(tǒng)的當前狀態(tài),根據(jù)運算處理后輸出信號去控制相應(yīng)的電器元件動作,保證系統(tǒng)運行在最圍4主程序流程圖優(yōu)的工作狀態(tài)。PLC 在系統(tǒng)中的控制任務(wù)繁多,為Fig.4 Flow chart of main program方便調(diào)試和編輯,系統(tǒng)采用模塊化的編程方法,主要變頻器的設(shè)置由溫控模塊、液位控制模塊流量和壓強控制模塊組系統(tǒng)采用日本三菱的A700變頻器,它的任務(wù)成,主程序按照系統(tǒng)的功能和工作流程將各子控制是利用PLC的PID運算值對電機實現(xiàn)無極變速，模塊組合在- -起, 主程序流程圖如圖4所示。55需要調(diào)整的主要參數(shù)如表1。表1變頻器參數(shù)調(diào)整表Tab. 1 Adjustment table of inverter parameter Table編號名稱設(shè)定范圍設(shè)定值內(nèi)容上限頻率0-120 Hz5輸出頻率上限下限頻率輸出頻率下限基準頻率0-400 Hz電機額定頻率(50Hz/60Hz)加速時間0 - 3600s1電機加速時間減速時間電機減速時間電機過流保護1.3變頻器對電機進行熱保護7運行模式選擇-72外部運行模式固定126端子4頻率設(shè)定增益50子1的1當長1縣十的頻率中國煤化工261端子4輸人選擇0-2fYHCNMH G.4.2人機界面的設(shè)計調(diào)速不僅節(jié)約電能,同時避免了設(shè)備啟動和停止過人機界面作為操作人員和系統(tǒng)之間進行信息程中的機械損耗,延長了設(shè)備的使用壽命。本系統(tǒng)交流的主要接口和界面,它的主要功能是:實時監(jiān)的使用能節(jié)約大量水能和電能,降低生產(chǎn)成本,具視系統(tǒng)的工作狀態(tài);提供控制操作;報警提示和故有良好的應(yīng)用價值。障診斷。采用GTDesigner軟件進行設(shè)計,主界面參考文獻:由手動運行、自動運行、狀態(tài)監(jiān)控和界面切換等按[1]余維,汪奎,趙遠翔.我國工業(yè)用水效率研究進展[J].鈕組成，主體部分是自動運行模式,點擊自動運行人民長江,2012,43(2):71 -74.模式后可自動跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)監(jiān)視畫面,對系統(tǒng)的水[2]陳吉芳,劉開培. PLC在中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用溫、液位、壓力和流量進行顯示,同時也可監(jiān)控變頻[J].電氣自動化,2004 ,26(2):52 -54.器、水泵電機、電磁閥的運行狀態(tài)。[3]居滋斗.過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.5結(jié)語[4]方桂筍.基于PLC的變頻器恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計[D].本系統(tǒng)采用PLC、變頻器和人機界面對工業(yè)循[5]廖常初. FX系列PLC編程及應(yīng)用[ M].北京:機械工業(yè)蘭州:蘭州理工大學,2008.環(huán)水的溫度、液位、流量和壓力進行監(jiān)測控制,使系出版社,2005.統(tǒng)的參數(shù)直觀明了、操作簡單、可靠穩(wěn)定,使用變頻(上接第21頁)其中R。1(4R'2 + 4R)R," 2\R,tR,)x一四OR, =0.1%●R,≈1. 08nt有的AR,是小于0. 2格對應(yīng)的電阻改變量。AR, =0.2 ,式中S為相對靈敏度S = Ao ,當電阻為ORARSI時,電表的指針偏轉(zhuǎn)了Aa格。郾s的測量:0R = 2s2,4S =5格然后換臂,即R3與R4對換位置,同樣調(diào)節(jié)電0.2阻箱R,使檢流計G的讀數(shù)為零，即Ic=0。讀出所以AR, = = 0. 08NAc電阻箱R,阻值大小R2''。此時:R, =R;(3-2)由(3-4)式得:0R = OR; +OR;≈1. 08.2由(3-1)和(3 -2)兩式可得:相對誤差為: AR=1:08=0.1%.R 1075.1R, =√R':.R2(3-3)所以:R = 1075.1土1. 08.2實驗中,我們改變滑片p的位置,測量5次,得到以下數(shù)據(jù):4數(shù)字萬用表直接測電阻R'z (N)1088.0 910.0 | 814.0 581.0| 466.0我們用級別為1的數(shù)字萬用表再測這個電阻:R'2 (N)| 1063.0|1271.01416. 0|2001.02472.0R = 10750R. =JR2 R (a)1075.41075.0|1073.6|1078.2| 1073.3數(shù)字萬用表的相對誤差為1% ,所以:R=R+R.1%=1075士10.8.2R = 1075. 10,標準方差σ=1.7S結(jié)論:在以上常用的測量電阻的方法中,精度誤差分析:最高誤差最小的是電橋(換臂)法測電阻;最方便3.1偶然誤差:的是用數(shù)字萬用表直接測電阻;伏安法和替代法介AR，于二者之間,但這兩種方法最為基本,在相關(guān)知識≈0.2%RR- 1075. 1的應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)。3.2系統(tǒng)誤差 :系統(tǒng)誤差有電阻箱級別和回路靈敏度兩部分,[1]楊占民.中國煤化工H:貴州科技出版即社, 1990HCNMHGOR= AR, +OR,(3-4)[2]朱鶴年.物理頭驗財無mj.北爾:用華大學出版, 1994.一25一