基于职业院校的“恒压供水系统”实训装置研发

施立群汪凯

辽宁装备制造职业技术学院（沈阳 110161）

基于职业院校的“恒压供水系统”实训装置研发

施立群汪凯

辽宁装备制造职业技术学院（沈阳 110161）

在“加强职业院校实训设备自主研发”的理念指导下，结合我院对学生综合实训技能培养目标的要求，设计出一套由三菱FX2N-48MR型PLC、三菱FR-E740变频器、三菱触摸屏、压力变送器、水泵机组等主要设备构成的变频恒压供水实训装置。

恒压供水 PLC 变频器

近年来，国家提倡大力发展高等职业教育，高等职业院校实训基地建设是培养高技能人才的关键，如今多数职业院校都以外购实训装置为主，其实训设备的功能与学生的知识技能要求总会有些差异，为了让实训装置更好的与学生技能结合，我们进行了实训装置自主研发。恒压供水系统是典型的闭环调节系统，在工程上具有一定实际意义，它包含了PLC、变频器、传感器等多方面知识，有利于学生的综合技能的提高。

1 设计思想

采用PID闭环控制算法，通过压力变送器采集供水管网的水压和实际水压预设值比较，利用PLC内部PID控制指令对二者偏差进行运算给出调节量，从而控制变频器的输出频率，调节电机转速，维持水压恒定。该系统利用三菱触摸屏实现远程操作、现场手动操作、变频运行和工频运行等功能，并可以实时显示当前水压、终端水箱水位和报警等信息。

2 系统总体设计

本系统采用三菱FX0N－3A特殊功能模块，该模块具有两路标准模拟量输入和一路模拟量输出。模拟量输入1口接到了压力变送器上，压力变送器将供水管网中的实际的水压值转换成4-20mA的电流信号，该电流信号通过模拟量输入模块1口转换成0-250数字量传送给PLC，模拟量输入2口接到了液位传感器上，液位传感器将终端水箱中的实际水位值转换成4-20mA的电流信号，该电流信号通过模拟量输入模块2口转换成0-250数字量同样传送给PLC。系统中的PLC采用的是三菱FX2N-48MR型PLC，三菱PLC具有编程简单易懂的特点，它将模拟量输入模块的变换后的两路0-250数字量进行浮点运算，得出实际的水压和水位值存储在PLC内部的数据寄存器中。利用PLC内部的PID指令对实际的水压值和给定的水压值比较，并将二者偏差进行PID运算，将运算结果送到FX0N－3A模拟量输出模块中，FX0N－3A模拟量输出模块可以将PLC运算后的0-250数字量转换成4-20mA电流信号，最后将变换后的电流信号传送给变频器，系统中的变频器采用的是三菱FR-E740变频器，变频器设置为模拟量电流输入，通过输入的4-20mA电流控制变频器输出0-50Hz频率的输出，通过改变变频器的输出频率调节水泵电动机的转速，实现恒压供水。用触摸屏采集PLC内部数据寄存器中的水压值和水位值，并显示在触摸屏上，并在触摸屏上完成水压值的给定。触摸屏采用三菱5.7寸单色触摸屏，具有位设计和画面设计简单特点。同时触摸屏上还设置了水压给定启动控制、水压水位报警等信息。系统中除了变频运行外还设置了工频运行，工频运行时先进行变频启动，当频率达到50Hz后切断变频器，直接加在三相电源上，实现工频运行，节省了能源。

3 电气控制电路的设计

电气控制电路的设计最主要是需要注意强弱电间的隔离问题。PLC输入端电压为直流24伏，输出端子额定电流虽然能达到2A，但是一般不直接和交流接触器进行连接，而是通过中间继电器进行转换，利用中间继电器的触点和接触器的线圈串联，控制中间继电器触点的闭合控制接触器线圈的得电和失电，从而控制电机的动作。一台电机既接工频电源又接变频电源是不允许的，所以在控制电路的设计中就对电机的工频和变频运行的接触器作了互锁保护。变频器也不允许同时拖动多台电机，因此各个电机的变频运行也要进行互锁保护。

4 确定PID参数

系统设计完成后，对PID控制算法进行现场调试，同时对PID设置的参数进行调整。首先要确定采样周期，选择一个适当的采样周期，周期太小，会使积分和微分作用不明显，水压变化缓慢，有延迟性，执行机构的惯性也比较大，采样周期的选择要与之相适应，否则执行机构来不及反应控制器的输出值变化，因此采样周期可以选取稍微大一些。其次要确定KP、KI、KD的值，采样周期选定后，运行系统，略去PID中的积分和微分，只保留比例单独作用，然后在当前的比例环节下逐渐减小比例，直到整个系统发生振荡，同时记录下系统发生振荡时的比例度及振荡周期，选择好控制度，通过运算查表求得参数KP、KI、KD的值。最后根据得出的参数进行现场调试，通过适当的调整，确定最最终使系统稳定的参数。

5 抑制干扰的措施

变频器的运行对整个系统具有干扰作用，因为变频器的输出电压、电流存在很多高次谐波，高次谐波对负载直接干扰，同时通过电缆向空间辐射，因此对PLC与特殊功能模块的通信以及PLC与触摸屏的通信的干扰是非常大的。首先将所有与变频器相连接的设备又要接地，最好作到共地，其次系统中的控制线缆最好用屏蔽电缆，同时屏蔽电缆要与电源电缆进行交叉，最好是90度交叉。最后在变频器上串入电抗器，降低变频器产生的高次谐波。

6 控制系统的安装调试

现场调试主要是对PLC程序的调试与运行、PID参数的调整以及触摸屏调试及运行，当系统安装完成后进行现场调试。第一，先进行PLC程序的调试和检查，尽管模拟运行的时候系统能够正常工作，但是实际现场有很多无法预料的因素，必须通过PLC和现场的实际设备连接、运行、调试，发现问题立即修正。第二，PID参数的确定，由于实际现场干扰很大，采样信号会产生波动，所以光靠理论求得的参数往往不是很可靠，必须通过现场进行调试，最后确定参数，这样才能保证系统的稳定性。第三，PLC功能模块的调试，我们必须要保证PLC功能模块转换后的信号是一个标准信号，因此要对输入输出模块进行调试，我们向模块中输入或写入4-20 mA电流或0-250数字量，输入输出模块所输出的或写入PLC的也应该是4-20 mA电流或0-250数字量，PLC功能模块输入输出的是标准信号，系统才能稳定。第四，压力变送器和液位传感器的安装调试，调整传感器，使输出的信号是4-20 mA电流信号，并多次实际采样水位和水压，保证传感器在其测量范围内具有良好的线性特征。第五，触摸屏及其功能调试，PLC与触摸屏通信连接后，在触摸屏上进行水压的给定，水压水位的显示，以及运行控制。第六，报警显示的调试，通过现场实际情况来测试PLC与触摸屏的报警是否正确，否则按照预定的调整和改正。

总之，系统在安装过程中，针对各种各种干扰因素和出现的问题，不断的完善和改进，从运行情况上看，达到了预期的效果，能够稳定的可靠的实现恒压供水的目标。本次实训装置的自主研发对我院整个实训基地的建设有着重大的意义。

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