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行业新闻

案例介绍了永宏PLC在恒压供水项目中的应用

发布日期:2019/8/15 12:12:09

 此案例介绍了永宏PLC在恒压供水项目中的应用。永宏PLC强大的通讯功能、使用人性化的PID指令 、丰富的指令集对项目的顺利实施起到了至关重要的作用。关键词:Modbus通讯;PID;指令集一 项目简介
1.1行业介绍
     供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大,水质易污染,基建投资多,而最主要的缺点是水压不能保持恒定,导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术,它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域,特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要,对恒压供水压力有着严格的要求,因而变频调速技术得到了更加深入的应用。作为控制核心的PLC,其良好的逻辑控制功能,强大的通讯性能以及PID演算功能,同样在起着至关重要的作用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高。1.2客户需求客户需要永宏PLC要配合丹佛斯变频器完成对三台不同功率电机的控制,实现恒压供水。三台电机的功率分别为15KW,35KW,75KW。每台变频器的控制包括手动和自动两种情况,手动情况时,通过外部的模拟量信号,来控制变频器的输出频率,进而控制电机的运转;自动情况时,根据压力设定值与压力模拟量采集信号的PID运算结果,由PLC自动切换运行处于自动状态的变频设备,实现恒压供水,在自动切换时要先启动功率小的电机,后启动功率大的电机。1.3解决方案在采用变频调速进行恒压供水时,通常有两种方式,其一是所有水泵配用一台变频器;其二是每台水泵配用一台变频器。前种方法的成本低,控制效果稳定可靠,但控制程序较复杂,是恒压供水通常采用的一种控制方式;后种方法根据压力反馈信号,通过PID运算自动调整变频器输出频率,改变电动机转速,最终达到管网恒压的目的,就是一个闭环回路,较简单,但成本高。由于客户使用的三台电机功率不同,所以只能采用第二种方法完成预期的功能。1.4方案背景永宏FBs系列PLC提供软件数字化的PID数学表达式,对于一般反应的闭环回路过程控制足以应付所需,在恒压供水的PID控制中凸显其功能。永宏开发的模拟量拓展模板可以使20点以下的主机拓展模拟量信号点,12位的精度完全可以满足采集压力信号所需,价格较低,性能可靠。在达到设计方案所能完成功能的        前提下,永宏系列产品提供了一个性价比较高的选择。二 控制系统设计


2.1硬件配置

     恒压供水是一个较典型且简单的案例,系统的硬件配置较简单,其中包括FBs-10MC一台,FBs-CM55一个,FBs-B4AD一个,FD-102一台,Danfoss FC300系列变频器三台(15kW,35kW,75kW)。系统结构如下图所示。2.2工艺流程设计
     客户需要每台变频器的控制包括手动和自动两种情况,手动情况时,通过外部的模拟量信号,来控制变频器的输出频率,进而控制电机的运转;自动情况时,根据压力设定值与压力模拟量采集信号的PID运算结果,由PLC自动切换运行处于自动状态的变频设备,实现恒压供水。为了满足客户的需求,我做了如下的工艺流程设计,例如:当1号、3号设备处于自动状态,2号设备处于手动状态时,启动系统之后,1号设备处于PID控制状态,当1号设备变频器处于满负荷运行状态1分钟之后,一号设备切换到工频运行,3号设备进入PID控制状态。当3号设备处于低负荷运行状态设定时间之后,3号设备停止运行,1号设备从工频运行状态投切到PID运算控制状态。在此过程中,处于手动状态的2号设备,不参与此自动投切控制。2号设备的运行频率,根据2号变频器的模拟量输入值变化而改变。控制工艺流程图如下所示。2.3软件设计
2.3.1 永宏泛用PID的配置
     我们要想保持水压的恒定,因此就必须引入水压反馈值与给定值比较,从而形成闭环系统。要想维持供水网的压力不变,根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件,由于供水系统管道长、管径大,管网的充压都较慢,故系统是一个大滞后系统,不易直接采用PID调节器进行控制,而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。在使用永宏PLC做PID控制时,需按照手册依次填写程控设定值缓存器,PID输出缓存器,工作缓存器等内容,以下是程序中使用的泛用PID指令。2.3.2永宏Modbus通讯指令的配置在此恒压供水系统中,PLC对变频器的控制是通过Modbus通讯的方式实现的,采用通讯的方式比模拟量的方式既简便实用,又降低了成本,提高了可靠性。三台变频器作为永宏PLC的从站,主站通过轮询的方式,向三台从站发送控制指令,是从站运行在PID控制状态,工频状态或手动状态。在使用永宏的Modbus指令时,首先要配置“Modbus Master表格”,在表格中定义从站的站号,主站对从站建立读操作或写操作,数据的长度,从站数据的起始地址以及主站数据存储器的起始地址。以下是程序中使用的Modbus通讯指令。2.3.3 FC300变频器的设置为了能够使丹佛斯变频器与三相异步电机以及PLC控制器配合使用,首先要设置变频器的相关参数。在变频器上安装LCP控制面板,首先根据使用电机的参数录入变频器1系列“负载和电机”参数。本例中,变频器采用通讯的控制方式,所以同样需要设定8系列“通讯和选件参数”,通过以上简单的设置,PLC就可以控制电动机的运行了。永宏PLC默认的通讯参数为:波特率9600bps,数据长度8Bits,奇偶校验Even,停止位1Bits,在设置通讯参数时,要保持PLC与变频器的同学参数一致,否则不能够正常通讯。右图是丹佛斯的LPC控制面板图。三 设备的调试
3.1设备的调试3.1.1程序逻辑的调试由于客户要求PLC控制三台不同功率的变频器,每台变频器还可以单独设置手动、自动状态,自动运行时,先启动功率小的电机,后启动功率大的电机,所以在程序编辑及调试的时候要比“一拖三”结构,即一台变频器控制三台功率相同的三相异步电动机的方式繁琐。
 在程序调试中,遇到的一个较棘手的问题是:当系统处于PID控制中,PLC对设备手动、自动切换的处理。譬如,一号设备处于手动状态,二号、三号设备处于自动状态。系统运行之后,PLC先启动二号电机,进行PID控制,这时假如一号设备被投切到自动状态,系统改保持二号设备处于PID控制状态,还是停止二号设备运行,启动一号设备进行PID控制。前者,违背了客户先启动功率较小电机的要求;后者使控制效果变差。最终我们选择了后一种方案,在自动运行状态时,遇到手自动切换,程序重新从处于自动状态的功率较小的设备开始启动。3.1.2模拟量通道的选择起初,为了节省成本,压力模拟量信号是由变频器本身读取的,通过通讯的方式传送给上位机PLC,但是考虑到这种方式的可靠性较差,还是通过PLC外拓的模拟量模板来采集现场的压力信号,以保证系统的可靠性。3.2 难点分析永宏PLC人性化、通俗化的编程软件让使用者操作起来更简单,对于Modbus通讯、泛用PID的设置操作起来较简单方便。系统的难点在于逻辑关系的实现以及PID参数的设置。逻辑关系的实现即如程序逻辑调试中介绍的,不能使客户的控制工艺要求与控制效果的连续性同时得到满足。对此,我跟客户进行了沟通,客户要求首先要满足控制工艺,对于设计方案中的控制效果,也差强人意。最终,我们采取了以下的控制方案:在自动运行状态时,遇到手自动切换,程序重新从处于自动状态的功率较小的设备开始启动。PID参数的设定是控制系统调试中一个重要的组成部分,PID整定通常凭借工程经验,直接在控制系统中试验测试,方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。三 设备运行3.1设备运行状况经过了几天的调试,设备已经能够正常运行。按照客户的需求,处于手动状态的设备,能够根据外部模拟量信号的给定,控制水泵的运行;处于自动状态的设备,能够在PLC的控制下,从低功率水泵开始启动,经PID自动调节,实现水压的恒定。水泵的投切是按照以下的顺序:当现场压力采集值小于压力设定值时,经由PID自动调节,提高处于PID调节状态的设备的输出功率,或让当前设备工频输出,同时启动功率更大的水泵;当现场压力采集值大于压力设定值时,经由PID自动调节,降低处于PID调节状态的设备的输出功率,或投切掉当前设备,经PID调节功率较小的设备,实现压力恒定。3.2客户反馈经过了一段时间的现场应用,客户反映永宏PLC的PID自动调节功能基本上满足预期的功能,PLC主站与三台从站变频器的通讯以及PLC与文本显示器的通讯无异常、通讯速率较快,通讯延迟小。总之,客户对永宏PLC优良的性能表示肯定。四 应用体会通过此案例,我们了解到永宏PLC在性能上的一些优势。1、永宏PLC有良好的通讯性能,在于多台从站的数据交换中,无通讯异常现象,而且通讯速率快,网络延迟小。2、永宏PLC强大的指令集,使程序编写更人性化,通俗易懂。3、表格设定使操作更简单,在项目中用到了Modbus Master表格,通过此表格作为向导来设定Modbus通讯相关数据,使得操作过程更简单。4、硬件可靠性高,在设备的运行过程中,PLC持续运行,未出现异常,客户对永宏产品硬件性能表示肯定。 


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