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永宏PLC在恒压供水系统上的应用案例
摘 要
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。
五 参考文献
[1] 范堤商贸（上海）有限公司. 永宏可编程控制器使用手册i【硬件篇&指令篇】. 2010
[2] 范堤商贸（上海）有限公司. 永宏可编程控制器使用手册ii【进阶应用篇】. 2010
