觸摸屏和PLC與變頻器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、引言

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域，可編程控制器（PLC）一直起著重要的作用。隨著國(guó)家在供水行業(yè)的投資力度加大，水廠運(yùn)行自動(dòng)化水平不斷提高，PLC在供水行業(yè)應(yīng)用逐步增多。觸摸屏與PLC配套使用，使得PLC的應(yīng)用更加靈活，同時(shí)可以設(shè)置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、以動(dòng)畫等形勢(shì)描繪自動(dòng)化過程，使得PLC的應(yīng)用可視化。

　　變頻恒壓供水成為供水行業(yè)的一個(gè)主流，是保證供水管網(wǎng)在恒壓狀態(tài)的重要手段?，F(xiàn)代變頻器完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能，為電機(jī)的同步運(yùn)行，遠(yuǎn)距離集中控制和在線監(jiān)控等提供了必要的支持。通過與PLC連接的觸摸屏，可以使控制更加形象、直觀，操作更加簡(jiǎn)單、方便。

　　組合應(yīng)用PLC、觸摸屏及變頻器，采用通信方式對(duì)變頻器進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、觸摸屏、壓力變送器、動(dòng)力及控制線路以及泵組組成。用戶可以通過觸摸屏了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行，也可以通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號(hào)變成4～20mA或0～10V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，輸出運(yùn)行頻率到變頻器。控制系統(tǒng)由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，PLC頻率輸出給定變頻器的運(yùn)行頻率，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水。PLC設(shè)定的內(nèi)部程序驅(qū)動(dòng)I/O端口開關(guān)量的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機(jī)臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。

3、工作原理

　　該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。手動(dòng)方式時(shí)，通過觸摸屏或控制柜上的啟動(dòng)和停止按鈕控制水泵運(yùn)行，可根據(jù)需要分別控制1#～3#泵的啟停，該方式主要供設(shè)備調(diào)試、自動(dòng)有故障和檢修時(shí)使用。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先由1#水泵變頻運(yùn)行，變頻器輸出頻率從0HZ上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器把接收的信號(hào)與給定壓力比較運(yùn)算后送給變頻器控制。如壓力不夠，則頻率上升到50HZ，由PLC設(shè)定的程序驅(qū)動(dòng)I/O端口開關(guān)量的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)切換交流接觸器組，使得1＃泵變頻迅速切換為工頻，2＃泵變頻啟動(dòng)，若壓力仍達(dá)不到設(shè)定壓力，則2＃泵由變頻切換成工頻，3＃泵變頻啟動(dòng)；如用水量減少，PLC控制從先起的泵開始切除，同時(shí)根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，始終保持管網(wǎng)壓力。

　　若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)，待電源恢復(fù)正常后，人工啟動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)開始運(yùn)行。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)多臺(tái)泵的啟動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。

4、設(shè)備參數(shù)的設(shè)置

　　在進(jìn)行通信之前必須對(duì)PLC、觸摸屏和變頻器的通訊參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置。本系統(tǒng)定義為Modbus協(xié)議，波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8，無(wú)校驗(yàn)，停止位為1。變頻器除設(shè)置通信參數(shù)外，還需啟用“自由停車”以保護(hù)電機(jī)。

5、PLC控制系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)采用三菱FX-200的PLC，繼電器輸出，PLC編程采用三菱PLC的專用編程軟件，軟件提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程、在線連接和調(diào)試。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比，該系統(tǒng)采用可編程控制器的開關(guān)量輸入輸出來(lái)控制電機(jī)的起停、自動(dòng)投入、定期切換，供水泵的變頻及故障的報(bào)警等，而且通過PLC內(nèi)置的PID給定電機(jī)的轉(zhuǎn)速、設(shè)定壓力、頻率、電流、電壓等模擬信號(hào)量。

　　以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時(shí)，通常采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運(yùn)行方式切換到正在以工頻運(yùn)行的泵上進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切換工頻的方式先進(jìn)，但其容易引起泵組的頻繁起停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中采用直接停工頻泵的運(yùn)行方式，同時(shí)由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實(shí)現(xiàn)泵組的無(wú)沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動(dòng)及水壓太低時(shí)的短時(shí)間缺水的現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。

6、觸摸屏界面設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作

　　第一步：確認(rèn)接通觸摸屏電源，進(jìn)入觸摸屏歡迎界面，如圖2

　　第二步：在歡迎界面中用一個(gè)手指輕壓“進(jìn)入系統(tǒng)”，進(jìn)入“系統(tǒng)主畫面”，如圖3。

　　第三步：要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。手指輕壓“參數(shù)設(shè)定”，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，如圖4。

　　點(diǎn)擊時(shí)間后的數(shù)字可以彈出軟鍵盤，在軟鍵盤中設(shè)定切泵時(shí)間，單位為小時(shí)，設(shè)定后輕壓“Enter”確認(rèn)。按上面的方法依次設(shè)定加泵時(shí)間和減泵時(shí)間，單位為秒；用同樣的方法對(duì)P、I值進(jìn)行設(shè)定。

　　第四步：輕壓可以返回系統(tǒng)主畫面，在主畫面中輕壓“狀態(tài)畫面”可以進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)畫面，如圖5。

　　輕壓“系統(tǒng)壓力設(shè)定”后面的方框，在軟鍵盤上設(shè)定管網(wǎng)壓力，單位為MPa，即1MPa＝10個(gè)壓。

　　第五步：輕壓“啟動(dòng)”，啟動(dòng)PLC設(shè)定的程序，開始控制切泵，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。狀態(tài)監(jiān)視頁(yè)面將會(huì)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。

　　在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，手指輕壓“停止”后，水泵停止工作，然后進(jìn)行維護(hù)。

7、結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結(jié)合，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)人職守的全自動(dòng)循環(huán)切泵、變頻運(yùn)行，保證了各臺(tái)水泵運(yùn)行效率的最優(yōu)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)平穩(wěn)，消除了啟動(dòng)大電流沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵的使用壽命，可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。通過觸摸屏上的組態(tài)畫面就可進(jìn)行供水壓力的設(shè)定，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況同時(shí)可以查詢?cè)O(shè)備故障信息，大大提高恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控能力。