PLC、人机界面结合变频器在纯净水再生装置中自动恒压控制的设计.doc

PLC、人机界面结合变频器在纯净水再生装置中自动恒压控制的设计1 引言 随着变频调速技术的发展和生活小区对纯净水品质要求的不断提高，在生活小区已逐渐安装了纯净饮用水再生装置，因为纯水再生装置要求单位时间内的压力变化量为0.02kg/cm2，目前，生活小区的纯水装置因进水压力变化量不均、压力冲击太大、水压水量不稳等原因，所再生的可饮用水质量不稳定，达不到人们的生活要求。为此，本人针对调查发现的普遍情况，对变频恒压控制采用PLC及线性传感控制模块、人机界面进行外部设定PID参数，用标度指令SCL进行压力、频率补正，达到高精度自动闭环恒压恒量供水，保证纯水再生装置制造出放心的饮用水，高精度自动恒压控制系统有如下优点： (1)保证进水压力恒压供水自动调节，保证可饮用水的质量； (2)通过自动控制技术的应用，既节能又可节省人工进行自动监控； (3)充分发挥人机界面的科学监控管理。2 纯水再生装置简介2.1 纯水再生装置基本原理 生活小区用水系统接入纯水再生装置，通过阳离子交换树脂、阴离子交换树脂时，含有Ca+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Pl2+等阳离子和SO2-、Cl-等阴离子被吸附，从而使自来水中的杂质清除，达到软化水的目的，制出纯净水，其工作原理最重要的是保证阴、阳离子交换树脂入水时的恒压恒量，才能保证纯水的电导率稳定，因而保证进水的恒压控制是保证质量的关健，通常的纯水装置是依靠值班人员根据电导率的变化进行人工调节进水量和压力来控制纯水的质量。2.2 技术要求 采用水位传感器和压力传感器，当水位及压力变化超过下限值时，通过线性控制模块，经过PLC功能指令PID、SCL进行调节控制，并通讯到人机界面，达到智能化监控。2.3 系统工作原理 通俗地讲，可编程控制实质上就是一台超微型计算机，其硬件结构基本上与微机相同，（CPU）、存储器(EPROM、ROM)、输入输出(I/O)模块、外设I/O接口、电源等组成，通过各部分控制线（控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。 可编程控制器的工作方式与微机有较大的不同，可编程控制器不是采用微机的中断方式，而是对程序进行反复的循环扫描，并对其逐条解释执行。如一个输出线圈被接通或断开，不会像电气继电控制中的继电器立即动作，而必须等到扫描到该触点时才动作，运作时间只有几十ms，其速度远高于继电器动作时间(100ms以让)。 可编程控制器投入运行后，要完成一系列的操作，大致分为三类： （1）以故障诊断和处理为主的操作； （2）联系现场状况的数据I/O操作； （3）执行用户程序和服务与外部设备的命令操作。 PLC在纯净水再生装置中自动恒压控制中的应用，就是充分利用了可编程控制器的众多优点满足恒压控制要求，其工作原理详见图1。图1 工作原理图3 硬件设计方案 (1)根据要求，在进水池内设置OMRON 61F-G2PH高低水位检测传感器检测水位，避免水位过低时水泵空运转损坏，在水泵出水口安装一个压力传感器SMC ISE5B-02-27L自动检测压力传感器，采集现在压力并转变为15V的模拟电压反馈至CQM1的线性传感控制模块LSE，LSE将反馈信号处理，处理结果通过LSE模块转变为模拟电压去控制变频器的工作频率，从而达到恒压供水，保证再生水装置的压力。 为使对系统有一个形象的说明，用系统控制框图表示。如图2。图2 系统控制框图 (2)所需硬件明细表如表1所示。表1 硬件明细表4 软件设计方案 可编程控制器是扫描工作方式，能同时对多个块进行控制，在整个程序扫描时间里可使程序按所测信号判断进入不同的分支程序。主程序包含有多个分支程序，这样既提高了速度又不必要的代码重复，同时也方便以后系统扩展对软件的修改。为了避免控制设备的误动作，有上电后对运行设备开关状态逻辑错误的检查功能。 系统控制程序流程图，如图3所示。图3 系统控制程序图5 初步验证 因本系统只有数字量开关输入无模拟量的输入，凭可编程控制器本身的抗干扰已能满足，无需增加其它抗干扰措施。 本系统对开关控制量的速度要求不高，选用OMRON公司的CQM1系列可编程控制器以及OMRON 扩展线性控制单元LSE1，利用功能指令和采用的循环扫描工作方式完全能满足要求。 本系统输入端有自动/手动选择开关，自动工作时有总开、总停按钮，还有自动检测传感器输入。输出只需控制1台水泵和报警控制器。可选取用CQM1系列10点可编程控制器（6个信号输入，4个继电器输出点）和线性控制单元LSE1可以完全满足容量的要求。6 硬件设计6.1 PLC的容量估算 PLC容量包括两个方面：I/O点数、用户存储器的容量。 （1）I/O点数估算 输入信号： 自动/手动选择开关，需要1个输入端； 自动工作方式时，总开、总停按钮，需要2个输入端； 故障报警消音按钮，需要1个输入端； 1个液位传感器，需要1个输入端； 1个压力传感器，需要1个输入端； 工作方式控制，需要1个输入端。 以上共需4个输入信号点，以后备用2个点，选用6个输入点。 输出信号： 1台水泵，需要1个控制输出端； 1个故障报警点，需用1个输出端。 以上共需2个输出点，以后备用2个点，选用4个输出点。 （2）用户存储容量估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序量，根据经验，每个I/O点及有关功能器占用内存大致如下： 开关量输入610=60B； 开关量输出48=32B； 定时器/计数器(53+23)2=42B。 共计134B，再加上程存储空间和备用存用量，初步估计共需820B。6.2 选择PLC及线性控制模块 因为本系统是对开关量控制的应用系统，并对控制速度要求不高，选用核日本OMRON 10点编程控制器，该编程控制器具有自诊断功能，采用循环扫描工作方式，这完全能满足要求，控制器产品性能规格表知：CQM1属微型编程控制器、输入输出控制方式为循环扫描方式、10点的编程器具有6个输入，4个输出、程序容量为2048B、命令种类91条、命令执行时间为基本命令0.72微秒，应用命令为12.3微秒。同时，用CQM1-LSE1线性传感控制模块进行采集压力传感器输出的模拟量，进行线性控制输出至PLC，由PLC功能指令PID、SCL运算处理。6.3 分配I/O点 一般情况下输入点与输入信号，输出点与输出控制一一对应。分配好后，按系统配置的通用方法，一个输入信号对应一个输出信号。在本系统中报警器是几个信号共用一个输出点，各报警因素按逻辑分配。 PLC的端口分配如表2所示。表2 PLC的端口分配 输入端子分配接线图。PLC输入信号由远程启动SB00、远程停止按钮SB001、异常停止SB003、变频异常INF004、压力传感异常PB005、水塔低水位X006等输入信号如图4所示。PLC输出信号由运转指示、异常指示、异常报警、水压准备、变频启动、变频停止、变频复位等组成。PLC输出接线图如图5所示。图4 输入端子分配接线图图5 输出端子分配接线图 扩展模块LSE1（线性传感控制模块）2（-）、3（+）输出信号到变频器INV1、压力传感信号输入LSE1的6（+V）、7（COM），扩展模块接线图如图6所示。LSE1输入输出接线图如图4所示。图6 扩展模块输出端子分配接线图6.4 系统工作方式 该系统主要由水泵、变频器、OMRON CQM1 PLC、线性传感控制模块、OMRON NT31人机界面、压力传感器等到组成。系统回路如图7所示。图7 系统硬件设计图6.5 画面设定运行方式 接通电源打开PT进入主画面，可以看到在画面上设有项目表，可切换画面有运转画面、异常画面、管理画面、设定画面。如图8所示。图8 项目表画面 进入运转画面，按“启动”，根据程序符合条件时，设备处于运转准备状态，变频器起动，在画面显示“起动中状态”，并显示运行压力和运行频率数值，按“停止”返回运转画面。如图9所示。图9 启动、停止画面 当设备系统出现异常停机时，异常画面相应显示非常停止、变频器异常、压力传感器异常等故障画面，同时外部异常灯亮并蜂鸣报警，可以及时判断故障便于检修。如图10所示。图10 故障画面 当水位过低不符起动条件时，进入待机画面，经程序运算后符合条件时，即自动运转，显示“水池水位过低”。如图11所示。图11 待机画面 进入设定画面，根据实际情况可以对水池水位过低检测时间进行设定，确认一个稳定值。如图12所示。图12 设定画面 进入PID调节，相应调节比例带宽、积分时间、微分时间、采样周期、输入滤波系数、输入输出上下限值等可以精确控制压力变化。如图13所示。图13 PID调节画面 为了精确控制运行压力和运行频率，进入SCL标度指令补正调节。如图14所示。图14 SCL标度指令补正调节画面 以上设备运转情况，进入管理画面集中处理，达到自动管理。如图15所示。图15 管理画面7 软件设计7.1 功能模块设定 针对目前纯水再生装置要求恒压恒量的高精度要求，程序设计上用PID指令进行各种参数设定，PID功能指令根据P1P1+中指定参数进行ID控制。当执行条件为OFF时，PID（）不执行。当条件为ON时，PID（）按照已指定的参数执行PID控制。它从IW内容中取出二进制数据的指定输入范围，并按照设定参数输出PID控制。结果作为操作变量存储在OW中，表3显示了参数的功能。表3 参数功能7.2 PID参数调整的方法 （1）在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。 （2）增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 （3）增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 （4）增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。 （5）在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。 （6）首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。 （7）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。 （8）如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。 （9）在PID控制回路投入运行时，首先可以把它设置在手动状态下，这时设定值会自动跟踪测量值，当系统达到一个相对稳定的状态后，再把它切换到自动状态下，这样可以避免系统频繁动作而导致系统不稳定。7.3 SCL标度指令功能 SCL（66）用来将4位数16进制值线地转换为4位数BCD值，不同于BCD（24）的将4位数16进制等值地转换为BCD(SHEXSBCD)，SCL（66）能按指定的线性关系转换16进制值。转换线有在参数值P1P1+3中指定的两个点来定义。当执行条件为OFF，SCL（66）不执行。当执行条件为ON，SCL（66）将S中的4位数16进制值，按点（P1，P1+1）和（P1+2，P1+3）定义的线性关系转换为4位数BCD值，并将结果置于R。结果舍入到最相近的整数。若结果小于0000，则将0000写到R，若结果大于9999，则将9999写到R。 参数字的功能和范围如表4所示。表4 参数字的功能和范围图16 由点(AY，AX)和（BY，BX）定义的线将源字S转换到D 图16说明根据由点(AY，AX)和(BY，BX)定义的线将源字S转换到D。 首先把所有的值转换为BCD，然后利用以下的公式计算结果： 结果= BY-(BYAY)/(BX-AX)(BX-S) 7.4 调试 (1)LSE1的设定 信号输入模式：比较判定模式； 工作方式：标准方式； 输入种别：1-5V； 监控输出：计测值连续方式； 输入取值速度：高速； 平均次数：1次； 设定值存放区间：内部RAM(即C000 为 1121、C200为0111)。 （2）使用OMRON手执式编程器（PR001）输入及查看设置的方法 输入方法见图17。图17 输入方法框图 查看方法：将2000参数改为2100；2200参数改为2300；详细说明请查说明书。 （3）变频器参数的设定 DRV01：10.0 加速时间； DRV02: 5.0 减速时间； DRV04: 2 输入频率设定(0-10V)至”V1”控制端子； DRV03: 1 运行/停止由控制端子FX、RX、S控制； FU2-30：3.7 电机功率选择； I/O-01: 100ms V1信号输入的滤波时间常数； I/O-02: 0.00V V1输入最小电压； I/O-03: 0.00Hz V1输入最小电压的相应频率； I/O-04: 10.00V V1输入最大电压； I/O-05: 60.00Hz V1输入最