觸摸屏和PLC與變頻器在控制系統(tǒng)中的應用

1、引言

　　在工業(yè)現(xiàn)場控制領域，可編程控制器（PLC）一直起著重要的作用。隨著國家在供水行業(yè)的投資力度加大，水廠運行自動化水平不斷提高，PLC在供水行業(yè)應用逐步增多。觸摸屏與PLC配套使用，使得PLC的應用更加靈活，同時可以設置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、以動畫等形勢描繪自動化過程，使得PLC的應用可視化。

　　變頻恒壓供水成為供水行業(yè)的一個主流，是保證供水管網(wǎng)在恒壓狀態(tài)的重要手段。現(xiàn)代變頻器完善的網(wǎng)絡通信功能，為電機的同步運行，遠距離集中控制和在線監(jiān)控等提供了必要的支持。通過與PLC連接的觸摸屏，可以使控制更加形象、直觀，操作更加簡單、方便。

　　組合應用PLC、觸摸屏及變頻器，采用通信方式對變頻器進行控制來實現(xiàn)變頻恒壓供水。

2、系統(tǒng)結構

　　變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、觸摸屏、壓力變送器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶可以通過觸摸屏了解和控制系統(tǒng)的運行，也可以通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20mA或0～10V標準信號送入PLC內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，輸出運行頻率到變頻器。控制系統(tǒng)由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，PLC頻率輸出給定變頻器的運行頻率，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達到恒壓供水。PLC設定的內(nèi)部程序驅(qū)動I/O端口開關量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。

3、工作原理

　　該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式。手動方式時，通過觸摸屏或控制柜上的啟動和停止按鈕控制水泵運行，可根據(jù)需要分別控制1#～3#泵的啟停，該方式主要供設備調(diào)試、自動有故障和檢修時使用。自動運行時，首先由1#水泵變頻運行，變頻器輸出頻率從0HZ上升，同時PID調(diào)節(jié)器把接收的信號與給定壓力比較運算后送給變頻器控制。如壓力不夠，則頻率上升到50HZ，由PLC設定的程序驅(qū)動I/O端口開關量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，使得1＃泵變頻迅速切換為工頻，2＃泵變頻啟動，若壓力仍達不到設定壓力，則2＃泵由變頻切換成工頻，3＃泵變頻啟動；如用水量減少，PLC控制從先起的泵開始切除，同時根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，始終保持管網(wǎng)壓力。

　　若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機，待電源恢復正常后，人工啟動，系統(tǒng)自動恢復到初始狀態(tài)開始運行。變頻自動功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵的啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。

4、設備參數(shù)的設置

　　在進行通信之前必須對PLC、觸摸屏和變頻器的通訊參數(shù)進行正確設置。本系統(tǒng)定義為Modbus協(xié)議，波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8，無校驗，停止位為1。變頻器除設置通信參數(shù)外，還需啟用“自由停車”以保護電機。

5、PLC控制系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)采用三菱FX-200的PLC，繼電器輸出，PLC編程采用三菱PLC的專用編程軟件，軟件提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程、在線連接和調(diào)試。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，該系統(tǒng)采用可編程控制器的開關量輸入輸出來控制電機的起停、自動投入、定期切換，供水泵的變頻及故障的報警等，而且通過PLC內(nèi)置的PID給定電機的轉(zhuǎn)速、設定壓力、頻率、電流、電壓等模擬信號量。

　　以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調(diào)節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切換工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁起停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中采用直接停工頻泵的運行方式，同時由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時間缺水的現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。

6、觸摸屏界面設計和運行操作

　　第一步：確認接通觸摸屏電源，進入觸摸屏歡迎界面，如圖2

　　第二步：在歡迎界面中用一個手指輕壓“進入系統(tǒng)”，進入“系統(tǒng)主畫面”，如圖3。

　　第三步：要進行參數(shù)設定。手指輕壓“參數(shù)設定”，進入?yún)?shù)設定畫面，如圖4。

　　點擊時間后的數(shù)字可以彈出軟鍵盤，在軟鍵盤中設定切泵時間，單位為小時，設定后輕壓“Enter”確認。按上面的方法依次設定加泵時間和減泵時間，單位為秒；用同樣的方法對P、I值進行設定。

　　第四步：輕壓可以返回系統(tǒng)主畫面，在主畫面中輕壓“狀態(tài)畫面”可以進入系統(tǒng)狀態(tài)畫面，如圖5。

　　輕壓“系統(tǒng)壓力設定”后面的方框，在軟鍵盤上設定管網(wǎng)壓力，單位為MPa，即1MPa＝10個壓。

　　第五步：輕壓“啟動”，啟動PLC設定的程序，開始控制切泵，實現(xiàn)恒壓供水。狀態(tài)監(jiān)視頁面將會顯示當前工作狀態(tài)。

　　在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，手指輕壓“停止”后，水泵停止工作，然后進行維護。

7、結束語

　　該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)了真正意義上的無人職守的全自動循環(huán)切泵、變頻運行，保證了各臺水泵運行效率的最優(yōu)和設備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)啟動平穩(wěn)，消除了啟動大電流沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應。通過觸摸屏上的組態(tài)畫面就可進行供水壓力的設定，監(jiān)視設備運行狀況同時可以查詢設備故障信息，大大提高恒壓供水系統(tǒng)的自動化水平及對現(xiàn)場設備的監(jiān)控能力。