基于PLC的供水系统设计杨 帆，王 磊，龚 君，江 兆 （正德职业技术学院，江苏 南京 211106） 摘要：设计了基于PLC的供水系统，给出了系统结构图，以及硬件、软件和组态设计。实验结果证明了设计的有效性。 关键词：供水系统；三菱PLC；PID控制 1 概述随着工业技术的发展，供水系统也跨入了智能化时代。本文设计了一个基于PLC的供水系统，由A/ D模块输入供水系统的流量、液位信息，通过PID算法进行计算，再由D/A模块输出到变频器来实现流速和液位的调节，并实时生成各个参数的趋势曲线图。该系统具有结构简单、安装方便、操作简单直观、可长期连续在无人监控下稳定工作的优点。 2 系统结构设计2.1 系统要求 系统由1个下水箱对2个上水箱供水，在供水过程中能够对供水管道的流量、2个上水箱的液位共3个参量进行控制，使这些值的实际值与设定值基本相等。 2.2 系统设计 系统以PLC为核心单元，采集传感器、按钮盒等输入信号，控制电动机、电磁阀、继电器、指示灯等输出。其中，传感器的输入信号经A/D模块传给PLC，经PLC进行PID计算后通过D/A模块转换成模拟量送给变频器，从而控制电动机的转速也就是流速。此外，还设计了人机界面，提高了系统的可操作性与可视性。图1为供水系统结构图。 3 硬件设计3.1 PLC 本系统采用三菱FX3U系列PLC为核心控制器。该PLC为三菱推出的新型PLC，具有扩展性强、结构简单、使用灵活且易于维护等特点。 3.2 A/D及D/A转换模块 本系统共有流速、上水箱1液位、上水箱2液位3个参量需进行A/D采样，故采用三菱公司4通道A/ D转换模块FX-2N4AD。该模块的模拟量输入范围有（-10～10）V、（-20～20）mA、（4～20）mA三种范围可选。该系统仅需1个通道进行D/A转换，控制变频器的频率，进而控制电动机的转速，故采用2通道D/A转换模块FX-2N2DA。该模块的模拟量输出范围有（0～10）V、（4～20）mA两种范围可选。  图1 供水系统结构图 3.3 变频器以下是三菱同期的三款主推变频器，特性描述如下：（1）FR-A700：闭环矢量控制、无传感器矢量控制、先进磁通矢量控制、V/F控制。 （2）FR-F700：简单磁通矢量控制、V/F控制。 （3）FR-E700：通用磁通矢量控制、经济型。 本系统仅需要变频器的基本功能，故选用经济型的FR-E700变频器。 3.4 电泵 采用MG1018A-2P-601380电泵，额定功率为60W，额定电压为380V，最大电流为4.2A，最小电流为0.45A，额定转速为2 800r/min。 3.5 人机界面 采用三菱公司研发的人机界面GOT1000，该系统具有数据实时更新的优点，可实时显示当前PID参数值，并生成流量、液位参数的趋势曲线图。 3.6 传感器 流量传感器采用IFM公司的SI5004，测量范围为（3～300）cm/s，对应输出为（4～20）mA，所测流量与输出电流呈线性关系。两个水箱的液位传感器均采用北京港北中天科技有限公司的2 100series，测量范围为（0～50）cm，对应输出为（4～20）mA，所测液位与输出电流成线性关系。 3.7 其他元件 除上述PLC、A/D及D/A转换模块、变频器、电动机和人机界面外，还采用了辅助电源、继电器、中间继电器、电磁阀和按钮盒等元件，在此不再详述。图2为相应的电气原理图。 4 软件设计4.1 A/D及D/A转换 本系统需要对流量和2个上水箱的液位共3个参量进行A/D转换。采用三菱公司的4通道A/D转换模块FX-2N4AD。由于流量和液位传感器都是以电流形式输出，范围为（4～20）mA，故我们也采用（4～20）mA范围的电流输入方式。 同样，在使用三菱公司的2通道D/A转换模块FX-2N2DA将PID计算数值结果输出给变频器时，也采用（4～20）mA范围的电流输出方式。 4.2 PID控制 系统采用PID算法使流量、液位保持与设定值基本一致。需要注意的是，PID的指令设定值及PID控制参数必须在指令执行之前送入相关的存储器，所以PID指令的初始化程序必须在执行PID指令前完成。整个PID控制流程如图3所示。以流量控制为例，首先进行PID指令初始化，然后由流量传感器将检测的值传给A/D转换模块，将模拟量转换成数字量之后对流量设定值与流量采样值进行PID计算，计算结果由D/A转换模块转换成模拟量传给变频器，从而控制电动机的转速，也就是管道中的流量。如此连续运行，使实际值与设定值保持一致。液位的控制也类似。 4.3 组态控制 为方便对水箱系统的控制与监控，还利用GT Designer3软件设计了组态监控画面。组态画面包括开机欢迎界面、控制界面、PID调节画面、流量趋势表、液位1趋势表、液位2趋势表共6个画面，各个画面间可以相互切换。图4给出了部分组态界面的设计结果。  图2 电气控制原理图  图3 PID控制流程  图4 组态画面设计结果 5 实验结果按照以上方案搭建一套供水系统，系统实物图如图5所示。以该系统为平台的实验结果如图6所示。从图6（a）流速实验结果可以看出，系统在开机启动后流速开始上升，达到设定值100cm/s后有一定过冲，然后回落，最终与设定值基本相等。从图6（b）可以看出，开机后液位1一直上升向设定值100mm靠拢，最终达到设定值并保持与设定相等。从图6（c）可以看出，开机后液位2一直上升向设定值100mm靠拢，最终达到设定值并保持与设定相等。 6 总结本文设计了以PLC为核心、可以实时调节流量和各上水箱液位的智能供水系统，给出了系统结构图，硬件、软件及组态设计结果，并按照设计方法搭建了一台样机，实验结果证明了设计的有效性。 图5 供水系统实物图  图6 实验结果 参考文献： ［1］ 胡寿松.自动控制原理［M］.北京：科学出版社，2006. ［2］ 李金城.PLC模拟量与通讯控制应用实践［M］.北京：电子工业出版社，2011. ［3］ 罗智勇.恒压供水PLC模糊控制［J］.工业仪表与自动化装置，2008（3）：63-65. ［4］ 王再英，刘淮霞.过程控制系统与仪表［M］.北京：机械工业出版社，2008. ［5］ 王洪猛，谢建君，曾云，等.基于PLC的过程控制系统设计与实现［J］.自动化技术与应用，2004（7）：25-33. ［6］ 刘帅，齐向东，王兴.基于PLC的模糊恒压供水系统［J］.工业控制计算机，2010（12）：51-54. Design of A PLC-based Water Supply System YANG Fan，WANG Lei，GONG Jun，JIANG Zhao Abstract：This paper presents a PLC-based water supply system.The system structure diagram，hardware design，software design are described in detail.Experimental results show the effectiveness of the system. Key words：water supply system；PLC；PID control 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-6413（2016）01-0188-03 收稿日期：2015-08-24； 修订日期：2016-01-04 作者简介：杨帆 （1985-），女，山西忻州人，助教，硕士，主要从事电气自动化及电力电子方面的研究。 |
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