PLC与变频器在工业循环水系统中的应用

第8卷第3期贵阳学院学报(自然科学版) (季刊)Vol.8 No. 3JOURNAL OF GUIYANG COLLEGE2013年9月Natural Sciences ( Quarterly )Sep. 2013PLC与变频器在工业循环水系统中的应用杨秋萍,李疆(贵阳学院教学设备及实验管理中心,贵州贵阳550005 )摘要:针对工业循环水处理系统的控制要求，利用PLC、变频器和三菱的其他工控器件对工业循环水处理系统进行自动化改造，采用PID策略对系统的各种模拟量进行实时控制，实现了工业循环水处理系统的优化.控制、优化运行和优化管理，能适应大多数工业水循环处理需求，具有广泛的应用价值。关键词:循环水系统; PLC; 变频器中图分类号: TP273文献标识码: A文章编号: 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系统功能随着我国经济的迅速发展,工业化进程不断加工业循环冷却水系统如图1所示,其工作流程快,工业耗水量呈逐年增长趋势,工业用水已占用为:水泵运行时将蓄水池中的水打人注水管,并输我国总取水量的四分之一。"在工业用水中的70送至各个需要冷却的设备,对设备进行降温后的高- 80%是冷却用水,一次性水冷却不仅造成了水资温水经过冷却塔,冷却塔的风机运转,高温水在填源的严重浪费和环境的污染,同时也增加了生产成料层中 与空气充分进行热交换后流回储水池。系本,因此工业循环冷却水处理系统应运而生,并在统设有补水管用来补充自然水,排污口可以排除循电力、化工、冶金、石油机械、食品等行业中得到了环水中夹带的杂质、污垢和达不到温度要求的冷却广泛应用。但是传统循环冷却水处理系统均采用.水。继电器和人工控制方式,系统的稳定性差,能耗较传统的控制系统,水泵的起停及阀门的开闭均高。笔者利用PLC对工业循环冷却水处理系统进由人工手动操作,不仅造成人力资源的浪费,且一行改造,提高系统中循环冷却水的利用率和减少系旦发生紧急情况,人工的响应稍有迟缓,未能及时统的运行能耗,达到节水节电的目的。切换至备用水泵机组,将给工业生产带来不可估量收稿日期:2013 -01 -27基金项目:2012年贵阳市科技局工业振兴科技计划项目。中国煤化工作者简介:杨秋萍(1985 -).女.贵州岑巩人，贵阳学院助理实验师。主要研究方向:控.CCHCNMHG李疆( 1969-),男,贵州贵阳人,贵阳学院副教授、高级工程师、硕士。主要研究刀向:工，日列化。一22一的损失。系统的压力和流量靠阀门和旁通来调节，况和系统维修时临时使用。水泵电机不能根据负荷的大小自动调节转速,电机2硬件设计直运行在工频下,耗费大量电能,同时电机启动时电流较大.转矩较小,启动和停泵时对泵本身及如图2所示系统采用三菱FX3U-32 PLC作系统的其他机械部分造成很大的冲击,将加速系统为控制核心,利用FX2N -4AD特殊功能模块将压各个部件的损耗,加大维修维护成本。(2]强流量、液位、温度传感器采集的模拟量经过A/D转换后传送给PLC、PLC中的微处理器对AD模块转换的数字量进行计算和处理,输出开关量经/冷却塔FX2N -4DA模块转换成模拟量后,通过三菱变频器A700实现水泵电机的无极变速,自动调节注水管的压力和流量。系统采用三菱触摸屏GTI 1055补新水厂-QBBD-C作为控制操作面板进行控制操作.参数设定状况监视和报警处理。蓄水池.GT1 1055 QBBD C(触撲屏)压强传感器图1 循环冷却水系统示意图↑IFig.1 Schematic diagram of Water - cycling System针对这些问题,本文利用PLC、变频器与人机流量传感器MFX2N- 4DA-FX3u-32M (PLC )界面相结合对传统的工业水循环系统进行改造,提:高了系统的自动控制水平,系统的液位、温度、压温度传感器FX2N 2DA强流量均可通过人机界面进行监视和控制,减少人力投人;实现水泵电机根据负荷大小平滑地自动液位传感器A700(变频器)水泵电.调节转速,减少电能损耗;实现电机组的自动切换，动机组提高系统的可靠性;对水泵电机进行软启动,消除图2控制 系统设计电流冲击和机械冲击,延长系统的使用寿命。系统Fig.2 Design of the control system具体的控制要求: .(1)蓄水池的水位应恒定在设定值,并实时显3控制原理示液位高度。在蓄水池中安装液位传感器,当水位低于设定值时补水管的电磁阀打开补充自然水,当3.1 控制算法水位到达设定值时,电磁阀自动关闭。根据系统的控制要求,需实现温度、液位、压力(2)冷却水的温度不得高于设定值,考虑到夏和流量的实时控制,而这些模拟量具有非线性、时季气温较高时,经冷却塔处理过的水温不一定能达变性滞后性等特点,控制较为困难,故采用较为成到要求，当温度超出设定值时可打开排污口的电磁熟的PID作为控制算法。[3]理想的PID算法如2-阀排除超温水,并通过补充自然水来降低水温,当1式,达到水温要求时,关闭两个电磁阀,系统恢复至正常的工作状态。()=k[()+fe(o)du+rde()] (2-1)d(3)注水管的水压和流量应该恒定在具体的系统中的液位、压强和流量控制均属于有静设定值,在注水管处安装--个压力传感器和流量传差,即偏差e(t)=0时,仍然需-个恒定的控制量感器对流量和压力进行实时监控,通过变频器来调进行输出,不能采用PID的计算值直接去控制,故节水泵电机。(4)当液位、温度、压力达到上下限值时进行采用当前PID输出值hv加上前一次PID输出值hx_1作为控制量进行控制,如3-1式报警。(5)系统需配置1套备用水泵电机组,以备在控制量=hv+k,-1不断进行累中国煤化工统达到稳定。主水泵电机发生故障时切换使用。当出现负的;MYHCNMHG为零,此时需(6)系统具有手动控制功能,便于遇到紧急情-.23一.采用控制量加上负的偏差值使控制量减少下来。开始设定值.偏差↓Rn控制输出午扰ML系统初始化x +QEnx18十 控制_]c九被控对尔文↓参数设定图3控制算法框图Fig. 3 Block diagram of the control algorithm输人量读取3.2压力和流 控制液位判断N系统中压力和流量的控制较液位和温度的控制相对复杂,也是系统最重要的控制参数。在工业循环水处理系统中一台水泵电机- -般往往无法满DA转换足压力和流量需求,该控制系统中一个水泵电机组液位模块运行}包含了3台水泵电机,根据冷却水的用量不同，每个电机都可以工作在变频和工频两种模式下[4)，温度判断N↓变频器先拖动1号泵启动并自动进行变频操作,如温度模块运行一十当频率上升至50HZ时,压力和流量仍未达到要求，则将1号泵切换至工频状态,同时用变频器启压强流量判断动2号泵,根据系统用量依次增加水泵,用PLC经PID运算的值来控制变频器的输出频率,直至满足Y系统需求。4软件设计文压强流量模块运行十是否停止4.1 PLC 程序设计PLC程序设计的主要任务是根据各种外部输入L停止信号,判断系统的当前状态,根据运算处理后输出信号去控制相应的电器元件动作,保证系统运行在最围4主程序流程图优的工作状态。PLC 在系统中的控制任务繁多,为Fig.4 Flow chart of main program方便调试和编辑,系统采用模块化的编程方法,主要变频器的设置由温控模块、液位控制模块流量和压强控制模块组系统采用日本三菱的A700变频器,它的任务成,主程序按照系统的功能和工作流程将各子控制是利用PLC的PID运算值对电机实现无极变速，模块组合在- -起, 主程序流程图如图4所示。55需要调整的主要参数如表1。表1变频器参数调整表Tab. 1 Adjustment table of inverter parameter Table编号名称设定范围设定值内容上限频率0-120 Hz5输出频率上限下限頻率输出频率下限基准频率0-400 Hz电机额定频率(50Hz/60Hz)加速时间0 - 3600s1电机加速时间减速时间电机减速时间电机过流保护1.3变频器对电机进行热保护7运行模式选择-72外部运行模式固定126端子4频率设定增益50子1的1当长1县十的频率中国煤化工261端子4输人选择0-2fYHCNMH G.4.2人机界面的设计调速不仅节约电能,同时避免了设备启动和停止过人机界面作为操作人员和系统之间进行信息程中的机械损耗,延长了设备的使用寿命。本系统交流的主要接口和界面,它的主要功能是:实时监的使用能节约大量水能和电能,降低生产成本,具视系统的工作状态;提供控制操作;报警提示和故有良好的应用价值。障诊断。采用GTDesigner软件进行设计,主界面参考文献:由手动运行、自动运行、状态监控和界面切换等按[1]余维,汪奎,赵远翔.我国工业用水效率研究进展[J].钮组成，主体部分是自动运行模式,点击自动运行人民长江,2012,43(2):71 -74.模式后可自动跳转至状态监视画面,对系统的水[2]陈吉芳,刘开培. PLC在中央空调水循环系统中的应用温、液位、压力和流量进行显示,同时也可监控变频[J].电气自动化,2004 ,26(2):52 -54.器、水泵电机、电磁阀的运行状态。[3]居滋斗.过程控制系统及其应用[M].北京:机械工业出版社,2011.5结语[4]方桂笋.基于PLC的变频器恒压供水系统的设计[D].本系统采用PLC、变频器和人机界面对工业循[5]廖常初. FX系列PLC编程及应用[ M].北京:机械工业兰州:兰州理工大学,2008.环水的温度、液位、流量和压力进行监测控制,使系出版社,2005.统的参数直观明了、操作简单、可靠稳定,使用变频(上接第21页)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格对应的电阻改变量。AR, =0.2 ,式中S为相对灵敏度S = Ao ,当电阻为ORARSI时,电表的指针偏转了Aa格。郾s的测量:0R = 2s2,4S =5格然后换臂,即R3与R4对换位置,同样调节电0.2阻箱R,使检流计G的读数为零，即Ic=0。读出所以AR, = = 0. 08NAc电阻箱R,阻值大小R2''。此时:R, =R;(3-2)由(3-4)式得:0R = OR; +OR;≈1. 08.2由(3-1)和(3 -2)两式可得:相对误差为: AR=1:08=0.1%.R 1075.1R, =√R':.R2(3-3)所以:R = 1075.1土1. 08.2实验中,我们改变滑片p的位置,测量5次,得到以下数据:4数字万用表直接测电阻R'z (N)1088.0 910.0 | 814.0 581.0| 466.0我们用级别为1的数字万用表再测这个电阻:R'2 (N)| 1063.0|1271.01416. 0|2001.02472.0R = 10750R. =JR2 R (a)1075.41075.0|1073.6|1078.2| 1073.3数字万用表的相对误差为1% ,所以:R=R+R.1%=1075士10.8.2R = 1075. 10,标准方差σ=1.7S结论:在以上常用的测量电阻的方法中,精度误差分析:最高误差最小的是电桥(换臂)法测电阻;最方便3.1偶然误差:的是用数字万用表直接测电阻;伏安法和替代法介AR，于二者之间,但这两种方法最为基本,在相关知识≈0.2%RR- 1075. 1的应用中经常出现。3.2系统误差 :系统误差有电阻箱级别和回路灵敏度两部分,[1]杨占民.中国煤化工H:贵州科技出版即社, 1990HCNMHGOR= AR, +OR,(3-4)[2]朱鹤年.物理头验财无mj.北尔:用华大学出版, 1994.一25一