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水井自动控制系统摘要：文章针对矿泉水生产水井控制自动化改造项目，采用三菱FX2N型PLC做控制器,使用两台变频器,利用基于PLC的PID算法实现了水厂水井恒水位控制,供水恒压力控制,并通过触摸屏显示水位、流量、压力、温度等参数监控。改造后真正能够达到自动恒水位运行，恒压力供水。实现无人值守，大大减轻工人的劳动强度。系统运行正常，具有实用价值。关键词：PLC 触摸屏 变频器 PID调节 恒水位控制 恒水压控制一、 引言随着自动控制技术的发展，PLC在自动控制中的应用越来越广泛，它早已突破纯开关量控制的局限而进入到模拟量控制等其它领域，成为过程控制不可缺少的核心部件。本文介绍的控制系统通过PLC控制模拟量实现水井恒水位控制，供水恒压力控制，水井数据监测、显示、报警，水井故障报警显示。该项目对恒水位控制应用有一定的参考价值。二、 水井自动控制系统背景以生产优质天然矿泉水为主的企业，对水质的要求较高。由于天然矿泉水的品质要求对每个水井必须保持其水的化学成分、流量、水温等动态参数在天然波动范围内相对稳定。从最早的水位人工测量，到后来的水位探头配合电机控制器，再到水位传感器加变频器，一步步走来。发展到现在的模拟PID,基于PLC控制的数字PID调节器的应用，每一步都使控制性能得到很大改善。本文根据天然矿泉水生产实际需要，将数字PID算法应用到水井自动控制系统中，使其能够根据水位的变化实时控制水井泵变频器的频率，从而使水位始终保持平衡。三、 水井自动控制系统的技术要求根据生产实际需要，结合工艺要求，水井自动控制系统实现功能和技术要求如下：1.水井恒水位控制，水位误差设定值0.2米；缓冲罐恒水压控制，压力误差设定值0.2公斤。2.为保持地下水的动态平衡，采用PID闭环调节功能。3.显示参数：水位、流量、水压、水温、频率。4.控制方式：手动/自动切换；5.水位、水压可人工设定，并由程序给定了初始值，水井水位20 米，加压泵水压3 公斤。6.报警显示：水位低于4米报警提示。低于2米水泵停止运行。四、 方案选择和论证4.1方案选择：方案1：用水位探头检测水位，人工通过阀门开度控制流量。缓冲罐也通过阀门开度控制压力。这是最早采用的方法。优点：成本低、费用少。缺点：浪费能源，水位变化不稳定，控制精度低，人工难以掌握，需要有经验的熟练操作人员才能胜任。方案2：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，通过模拟量控制变频器实现水井恒水位控制，缓冲罐恒水压控制。优点：费用不高。缺点：水位变化不稳定，控制精度差，没有水井参数的显示。方案3：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，用触摸屏通过PLC用模拟量控制变频器实现水井恒水位控制，缓冲罐恒水压控制，为了提高精度还可以采用PID调节。优点：控制精度高，水位变化平稳，不破坏地下水的动态平衡，可实现水井参数的显示，还可以节约能源。缺点：费用高，一次性投资大。方案4：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，用上位机通过组态软件控制PLC,几个井都可以控制，每个井通过I/O站用CC-LINK现场总线连接，是最理想的方案。优点：控制精度高，水位变化平稳，不破坏地下水的动态平衡，可实现几个水井参数的显示，还可以节约能源。缺点：费用较高，一次性投资更大。4.2方案论证本系统由于实际的水井有几个，从工艺图看只画出一个。实际进入缓冲罐的水有几个井的水，从技术的角度分析，采用方案4较理想，由于成本原因，暂时采用方案3。方案1和2达由于不到技术要求，不宜采用。等下一步条件成熟，可以升级为方案4。基于以上设计思路，本方案PLC主模块留有一定量的I/O点，以利于系统进一步扩展。4.3结论 选择方案3：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，用触摸屏通过PLC用模拟量控制变频器实现水井恒水位控制，缓冲罐恒水压控制，为了提高精度还可以采用PID调节。五、 水井自动控制系统概述天然矿泉水的主要成分是矿泉水，矿泉水来源于地下100多米的岩石层，采用不锈钢管用网状结构组成水井，地下水靠渗漏的形式进入井内，由于地下水是流动的，在井内停留的时间长，就会变质，容易产生霉菌。所以，井内水不能停留时间长，要及时抽走。但是地下水的流量是有变化的。我们不能破坏地下水的动态平衡，否则，容易产生杂质，污染水源带，引起同一水源带其它井的污染，这是很严重的后果。所以，我们通常采用恒水位控制，使之达到动态平衡。以前我们用变频器加水位探头人工很难控制。水位、流量、水压等参数靠人工测试，劳动强度大，人为因素多。我们在旧系统中，恒水位，恒压供水一般采用起动或停止水井泵、加压站泵和调节出口阀开度来实现。控制系统是采用继电接触器控制线路，这种系统线路复杂，维护困难，操作麻烦，工人要24小时值班看守，劳动强度大。所以有必要对之进行改造，提高自动化水平。本文介绍的用于天然矿泉水水井恒水位，加压泵恒压供水监控系统，采用三菱FX2n型PLC（fx2n-32mr-001），带三个特殊扩展模块（FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT,FX2n-2DA），（图5-1 PLC硬件组态图）三菱FR-F540-3.7K-CH变频器，A950-GOT触摸屏进行监控，自动化程度高，整个工作程序自动完成，能清楚地显示各个设备的实时状态，并自动调节水位、水压。本系统还设有多种保护，如水位超限报警、水位超极限停机处理、水泵电机电流过流保护报警（通过变频器）并处理等。可以显示水井的水位、流量、水压、温度等参数。实现恒水位控制水井，恒水压控制供水。水位误差可以做得很小。本实例实际控制在200.2米左右。实际生产中已经完全满足需要。为了适应更高的精度，采用了PID调节。图5-1 PLC硬件组态图六、 水井自动控制系统工作原理6.1 水井自动控制系统工艺流程：图6-1 系统工艺流程图：系统工艺流程图如图6-1所示，水井泵将水井内的水抽到压力缓冲罐，缓冲罐内的水又经过加压泵抽到锰砂罐，水经过锰砂罐过滤后再压到生产用水原水池供生产使用。由于水井内的水量是随时变化的，水泵流量一般通过变频器控制。流量大，水井内的水可能不够用，水井会抽干。水泵流量小，水不能满足生产需要。所以，最理想的办法是保持水井水位不变，达到动态平衡。另外，缓冲罐里的水如果直接进入锰砂罐，由于前面恒水位控制压力变化较大，水压小时水抽不上，造成水井变频器过载跳闸。所以，我们再加一级加压泵，采用恒压控制，保持压力稳定。6.2 系统工作原理： 根据以上工艺流程，水井内的水必须保持恒定的水位。所以，水井泵采用恒水位控制。水井内的水经过水井泵抽到缓冲罐，加缓冲罐的目的显然是让几个井的水有一个缓冲。缓冲罐的水经过加压泵抽到锰砂罐，锰砂罐里面装有锰砂，主要是除去部分水中悬浮物、胶体有机物及水中的铁锰离子，出水达到一定指标（铁锰总量3600秒，D = 0秒，将P由大往小调以达到能快速响应，又不产生振荡为好。并需结合量程进行定量估算。2) P调好后再调I，I由大往小调，以能快速响应，消除静差，又不产生超调为好，或有少量超调也可以。I应考虑与系统惯性时间常数相匹配。一般I值和惯性时间差不多。3) P、I调好后，再调D。一般的系统D =0，1或2。只有部分滞后较大的系统，D值才可能调大些。4) PID参数修改后，可以少量修改给定值，观察系统的跟踪响应，以判断PID参数是否合适。5) P值太小，I值太小或D值太大均会引起系统超调振荡。6) 对于个别系统，如升压快降压慢，或液位升得快降得慢等不平衡系统是很难控制的，更难兼顾动态指标，只能将P调大些，I值也调大些，牺牲动态指标来保证稳态指标。这是由系统的不可控制特性所决定的，而与PID调节器的性能无关。9.3系统布线接地等注意事项在控制系统中，使用PLC的模拟量控制多台变频器，由于变频器本身产生强干扰信号的特性和模拟量抗干扰能力不与数字量抗干扰能力强的特性；因此为了最大程度的消除变频器对模拟量的干扰，在布线和接地等方面就需要采取更加严密的措施。关于布线1信号线与动力线必须分开走线使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。2信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部由于水系统的两台三菱变频器离控制柜较远，因此连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。3模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.52mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。.关于接地变频器的接地应该与PLC控制回路单独接地，在不能够保证单独接地的情况下，为了减少变频器对控制器的干扰，控制回路接地可以浮空，但变频器一定要保证可靠接地。在控制系统中建议将模拟量信号线的屏蔽线两端都浮空，同时由于在机组上PLC与变频器共用一个大地，因此建议在可能的情况下，将PLC单独接地或者将PLC与机组地绝缘开来。变频器的接地电阻10以下。接地线切勿与焊机及动力设备共用。接地线请按照电气设备技术基准所规定的导线线径规格。接地线在可能范围内尽量短。由于变频器产生漏电流，与接地点距离太远则接地端子的电位不稳定。使用两台以上变频器的场合，请勿将接地线形成封闭回路。9.4 泵类负载注意事项泵类负载在实际运行过程中，容易发生喘振、憋压和水垂效应，所以变频器选型时，要选择适于泵类负载的变频器且变频器在功能设定时要针对上述问题进行单独设定1.喘振:测量易发生喘振的频率点，通过设定跳跃频率点和宽度，避免系统发生共振现象。2.憋压:泵类负载在低速运行时，由于系统憋压而导致流量为零，从而造成泵烧坏。在变频器功能设定时，通过限定变频器的最低频率，从而限定了泵流量临界点处的系统最低转速，这就避免了此类现象的发生。3.水垂效应:泵类负载在突然断电时，由于泵管道中的液体重力而倒流。若逆止阀不严或没有逆止阀，将导致电机反转，因电机发电而使变频器发生故障报警烧坏。在变频器系统设计时，应使变频器按减速曲线停止，在电机完全停止后再断开主电路电，这样就避免了该现象的发生。9.5 水位传感器校正 水位传感器放到井里必须事先测量好长度，然后用水位测量仪测出实际水位，再和触摸屏显示的值对比。如果误差大于0.1米以上，需校正。校正的方法同样是测量值和显示值比较，再决定将传感器升高或降低。反复多次。直到误差小于0.1米以上为止。十、 实际运行效果经过现场一段时间的运行，变频恒水位运行效果非常好。当用触摸屏设定一个液位高度后，变频器以恒液位控制方式运行。当液位设定为20m，实际检测井内的液位基本在20m0.2m之间恒定。当液位低于20m，变频器频率降低，直到最后停止在最低运行频率（30HZ）。这是因为如果变频器运行频率过低，水泵的扬程不够，由于系统憋压而导致流量为零，从而造成泵烧坏。在变频器功能设定时，通过限定变频器的最低频率，从而限定了泵流量的临界点处的系统最低转速，这就避免了此类现象的发生。设置最低运行频率，能够使水泵扬程达到要求。变频器的频率一般在生产的时候达到35-45HZ左右，大大的降低了操作人员的劳动强度。当由于某种原因造成液位过低时，通过触摸屏提供报警信号，及时提醒操作人员，保证了正常的生产供水要求，同时也大大地节约了电能。当然，此项目的主要目的并不是节能，节能只是辅助作用。实际运行数据：如表10-1项目水井水位设定值实际水位加压压力设定值实际压力120米20.122公斤2.11220米19.832公斤1.93330米30.093公斤3.15430米29.913公斤2.91540米40.074公斤4.16640米39.954公斤3.82表10-1水位压力实测数据经过对水井改进前后数据分析，绘制出水位改进前后变化曲线如图10-1,图10-2。从图中可以看出，经PID调节后的水井水位变化很小，水井液位能够保持恒水位运行。水位改进前后变化曲线如图10-1,图10-2所示:十一、 经验总结设计好触摸屏画面和PLC程序后，可以用触摸屏模拟软件GT Simulator2.0连接PLC模拟软件GX simulator7.0调试。还可以打开PLC设计软件GX Developer监控运行情况。经过这样模拟调试，PLC程序和触摸屏画面基本没有和现场有太大的区别，设备投入现场后，减少了调试时间，节约了人力资源。最重要的是如果PLC和触摸屏没有到货，可以提前做好项目，项目进展不受设备的限制。前面方案选择中已说明，采用方案4用上位机通过组态软件控制PLC,几个井都可以控制，每个井通过I/O站用CC-LINK现场总线连接，是最理想的方案。本系统留有一定的I/O余量，待条件成熟每个井只需要加一个I/O站，再增加一台上位机就可以组成很理想的系统。系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。十二、 结束语自行设计的变频调速恒水位、恒压供水系统实现简单,成本低廉，投入运行以来，工作可靠，具有较好的控制效果。主要体现在: （1）水位波动平稳，变化范围在0.2m以内；（2）系统供水压力平稳，压力变化在 0.02mpa 以内; （3）高效节能，系统有plc和变频器管理，可有效解决不同用水量时电机轻载或空载时节能问题；（4）整个系统自动化程度高，不需人员职守，故障时可以自动保护并发出报警信号；另外，系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。十三、 参考文献 1钟肇新 范建东 编著可编程控制器原理及应用第三版 华南