基于職業(yè)院校的“恒壓供水系統(tǒng)”實(shí)訓(xùn)裝置研發(fā)

施立群汪凱

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽 110161）

基于職業(yè)院校的“恒壓供水系統(tǒng)”實(shí)訓(xùn)裝置研發(fā)

施立群汪凱

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽 110161）

在“加強(qiáng)職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備自主研發(fā)”的理念指導(dǎo)下，結(jié)合我院對(duì)學(xué)生綜合實(shí)訓(xùn)技能培養(yǎng)目標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)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(jī)組等主要設(shè)備構(gòu)成的變頻恒壓供水實(shí)訓(xùn)裝置。

恒壓供水 PLC 變頻器

近年來，國(guó)家提倡大力發(fā)展高等職業(yè)教育，高等職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)是培養(yǎng)高技能人才的關(guān)鍵，如今多數(shù)職業(yè)院校都以外購(gòu)實(shí)訓(xùn)裝置為主，其實(shí)訓(xùn)設(shè)備的功能與學(xué)生的知識(shí)技能要求總會(huì)有些差異，為了讓實(shí)訓(xùn)裝置更好的與學(xué)生技能結(jié)合，我們進(jìn)行了實(shí)訓(xùn)裝置自主研發(fā)。恒壓供水系統(tǒng)是典型的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在工程上具有一定實(shí)際意義，它包含了PLC、變頻器、傳感器等多方面知識(shí)，有利于學(xué)生的綜合技能的提高。

1 設(shè)計(jì)思想

采用PID閉環(huán)控制算法，通過壓力變送器采集供水管網(wǎng)的水壓和實(shí)際水壓預(yù)設(shè)值比較，利用PLC內(nèi)部PID控制指令對(duì)二者偏差進(jìn)行運(yùn)算給出調(diào)節(jié)量，從而控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，維持水壓恒定。該系統(tǒng)利用三菱觸摸屏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作、變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行等功能，并可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水壓、終端水箱水位和報(bào)警等信息。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用三菱FX0N－3A特殊功能模塊，該模塊具有兩路標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)中的實(shí)際的水壓值轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過模擬量輸入模塊1口轉(zhuǎn)換成0-250數(shù)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(shí)際水位值轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過模擬量輸入模塊2口轉(zhuǎn)換成0-250數(shù)字量同樣傳送給PLC。系統(tǒng)中的PLC采用的是三菱FX2N-48MR型PLC，三菱PLC具有編程簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn)，它將模擬量輸入模塊的變換后的兩路0-250數(shù)字量進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，得出實(shí)際的水壓和水位值存儲(chǔ)在PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器中。利用PLC內(nèi)部的PID指令對(duì)實(shí)際的水壓值和給定的水壓值比較，并將二者偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送到FX0N－3A模擬量輸出模塊中，F(xiàn)X0N－3A模擬量輸出模塊可以將PLC運(yùn)算后的0-250數(shù)字量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)，最后將變換后的電流信號(hào)傳送給變頻器，系統(tǒng)中的變頻器采用的是三菱FR-E740變頻器，變頻器設(shè)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(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。用觸摸屏采集PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)和畫面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單特點(diǎn)。同時(shí)觸摸屏上還設(shè)置了水壓給定啟動(dòng)控制、水壓水位報(bào)警等信息。系統(tǒng)中除了變頻運(yùn)行外還設(shè)置了工頻運(yùn)行，工頻運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行變頻啟動(dòng)，當(dāng)頻率達(dá)到50Hz后切斷變頻器，直接加在三相電源上，實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行，節(jié)省了能源。

3 電氣控制電路的設(shè)計(jì)

電氣控制電路的設(shè)計(jì)最主要是需要注意強(qiáng)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(dá)到2A，但是一般不直接和交流接觸器進(jìn)行連接，而是通過中間繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用中間繼電器的觸點(diǎn)和接觸器的線圈串聯(lián)，控制中間繼電器觸點(diǎn)的閉合控制接觸器線圈的得電和失電，從而控制電機(jī)的動(dòng)作。一臺(tái)電機(jī)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(shè)計(jì)中就對(duì)電機(jī)的工頻和變頻運(yùn)行的接觸器作了互鎖保護(hù)。變頻器也不允許同時(shí)拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)，因此各個(gè)電機(jī)的變頻運(yùn)行也要進(jìn)行互鎖保護(hù)。

4 確定PID參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)PID控制算法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，同時(shí)對(duì)PID設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。首先要確定采樣周期，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)牟蓸又芷?，周期太小，?huì)使積分和微分作用不明顯，水壓變化緩慢，有延遲性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性也比較大，采樣周期的選擇要與之相適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)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(yùn)行系統(tǒng)，略去PID中的積分和微分，只保留比例單獨(dú)作用，然后在當(dāng)前的比例環(huán)節(jié)下逐漸減小比例，直到整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生振蕩，同時(shí)記錄下系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)的比例度及振蕩周期，選擇好控制度，通過運(yùn)算查表求得參數(shù)KP、KI、KD的值。最后根據(jù)得出的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確定最最終使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)。

5 抑制干擾的措施

變頻器的運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有干擾作用，因?yàn)樽冾l器的輸出電壓、電流存在很多高次諧波，高次諧波對(duì)負(fù)載直接干擾，同時(shí)通過電纜向空間輻射，因此對(duì)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(shè)備又要接地，最好作到共地，其次系統(tǒng)中的控制線纜最好用屏蔽電纜，同時(shí)屏蔽電纜要與電源電纜進(jìn)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(chǎn)生的高次諧波。

6 控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試主要是對(duì)PLC程序的調(diào)試與運(yùn)行、PID參數(shù)的調(diào)整以及觸摸屏調(diào)試及運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。第一，先進(jìn)行PLC程序的調(diào)試和檢查，盡管模擬運(yùn)行的時(shí)候系統(tǒng)能夠正常工作，但是實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)有很多無法預(yù)料的因素，必須通過PLC和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)備連接、運(yùn)行、調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題立即修正。第二，PID參數(shù)的確定，由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)干擾很大，采樣信號(hào)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，所以光靠理論求得的參數(shù)往往不是很可靠，必須通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，最后確定參數(shù)，這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第三，PLC功能模塊的調(diào)試，我們必須要保證PLC功能模塊轉(zhuǎn)換后的信號(hào)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因此要對(duì)輸入輸出模塊進(jìn)行調(diào)試，我們向模塊中輸入或?qū)懭?-20 mA電流或0-250數(shù)字量，輸入輸出模塊所輸出的或?qū)懭隤LC的也應(yīng)該是4-20 mA電流或0-250數(shù)字量，PLC功能模塊輸入輸出的是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定。第四，壓力變送器和液位傳感器的安裝調(diào)試，調(diào)整傳感器，使輸出的信號(hào)是4-20 mA電流信號(hào)，并多次實(shí)際采樣水位和水壓，保證傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性特征。第五，觸摸屏及其功能調(diào)試，PLC與觸摸屏通信連接后，在觸摸屏上進(jìn)行水壓的給定，水壓水位的顯示，以及運(yùn)行控制。第六，報(bào)警顯示的調(diào)試，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來測(cè)試PLC與觸摸屏的報(bào)警是否正確，否則按照預(yù)定的調(diào)整和改正。

總之，系統(tǒng)在安裝過程中，針對(duì)各種各種干擾因素和出現(xiàn)的問題，不斷的完善和改進(jìn)，從運(yùn)行情況上看，達(dá)到了預(yù)期的效果，能夠穩(wěn)定的可靠的實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目標(biāo)。本次實(shí)訓(xùn)裝置的自主研發(fā)對(duì)我院整個(gè)實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)有著重大的意義。

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