摘  要

      此案例介紹了永宏PLC在恒壓供水項目中的應用。永宏PLC強大的通訊功能、使用人性化的PID指令 、豐富的指令集對項目的順利實施起到了至關重要的作用。

關鍵詞：Modbus通訊；PID；指令集

一 項目簡介

1.1行業(yè)介紹

      供水系統(tǒng)是國民生產生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。作為控制核心的PLC，其良好的邏輯控制功能，強大的通訊性能以及PID演算功能，同樣在起著至關重要的作用。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高。

1.2客戶需求

      客戶需要永宏PLC要配合丹佛斯變頻器完成對三臺不同功率電機的控制，實現(xiàn)恒壓供水。三臺電機的功率分別為15KW，35KW，75KW。每臺變頻器的控制包括手動和自動兩種情況，手動情況時，通過外部的模擬量信號，來控制變頻器的輸出頻率，進而控制電機的運轉；自動情況時，根據(jù)壓力設定值與壓力模擬量采集信號的PID運算結果，由PLC自動切換運行處于自動狀態(tài)的變頻設備，實現(xiàn)恒壓供水，在自動切換時要先啟動功率小的電機，后啟動功率大的電機。

1.3解決方案

      在采用變頻調速進行恒壓供水時，通常有兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。前種方法的成本低，控制效果穩(wěn)定可靠，但控制程序較復雜，是恒壓供水通常采用的一種控制方式；后種方法根據(jù)壓力反饋信號，通過PID運算自動調整變頻器輸出頻率，改變電動機轉速，最終達到管網恒壓的目的，就是一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。由于客戶使用的三臺電機功率不同，所以只能采用第二種方法完成預期的功能。

1.4方案背景

      永宏FBs系列PLC提供軟件數(shù)字化的PID數(shù)學表達式，對于一般反應的閉環(huán)回路過程控制足以應付所需，在恒壓供水的PID控制中凸顯其功能。永宏開發(fā)的模擬量拓展模板可以使20點以下的主機拓展模擬量信號點，12位的精度完全可以滿足采集壓力信號所需，價格較低，性能可靠。在達到設計方案所能完成功能的        前提下，永宏系列產品提供了一個性價比較高的選擇。

二 控制系統(tǒng)設計

2.1硬件配置

      恒壓供水是一個較典型且簡單的案例，系統(tǒng)的硬件配置較簡單，其中包括FBs-10MC一臺，F(xiàn)Bs-CM55一個，F(xiàn)Bs-B4AD一個，F(xiàn)D-102一臺，Danfoss FC300系列變頻器三臺（15kW,35kW,75kW）。系統(tǒng)結構如下圖所示。

2.2工藝流程設計

      客戶需要每臺變頻器的控制包括手動和自動兩種情況，手動情況時，通過外部的模擬量信號，來控制變頻器的輸出頻率，進而控制電機的運轉；自動情況時，根據(jù)壓力設定值與壓力模擬量采集信號的PID運算結果，由PLC自動切換運行處于自動狀態(tài)的變頻設備，實現(xiàn)恒壓供水。為了滿足客戶的需求，我做了如下的工藝流程設計，例如：當1號、3號設備處于自動狀態(tài)，2號

設備處于手動狀態(tài)時，啟動系統(tǒng)之后，1號設備處于PID控制狀態(tài)，當1號設備變頻器處于滿負荷運行狀態(tài)1分鐘之后，一號設備切換到工頻運行，3號設備進入PID控制狀態(tài)。當3號設備處于低負荷運行狀態(tài)設定時間之后，3號設備停止運行，1號設備從工頻運行狀態(tài)投切到PID運算控制狀態(tài)。在此過程中，處于手動狀態(tài)的2號設備，不參與此自動投切控制。2號設備的運行頻率，根據(jù)2號變頻器的模擬量輸入值變化而改變?？刂乒に嚵鞒虉D如下所示。

2.3軟件設計

2.3.1 永宏泛用PID的配置

      我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。要想維持供水網的壓力不變，根據(jù)反饋定理在管網系統(tǒng)的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，管網的充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，不易直接采用PID調節(jié)器進行控制，而采用PLC參與控制的方式來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)調節(jié)作用。

      在使用永宏PLC做PID控制時，需按照手冊依次填寫程控設定值緩存器，

PID輸出緩存器，工作緩存器等內容，以下是程序中使用的泛用PID指令。

 

2.3.2永宏Modbus通訊指令的配置

      在此恒壓供水系統(tǒng)中，PLC對變頻器的控制是通過Modbus通訊的方式實現(xiàn)的，采用通訊的方式比模擬量的方式既簡便實用，又降低了成本，提高了可靠性。三臺變頻器作為永宏PLC的從站，主站通過輪詢的方式，向三臺從站發(fā)送控制指令，是從站運行在PID控制狀態(tài)，工頻狀態(tài)或手動狀態(tài)。

      在使用永宏的Modbus指令時，首先要配置“Modbus Master表格”，在表格中定義從站的站號，主站對從站建立讀操作或寫操作，數(shù)據(jù)的長度，從站數(shù)據(jù)的起始地址以及主站數(shù)據(jù)存儲器的起始地址。以下是程序中使用的Modbus通訊指令。

 

2.3.3 FC300變頻器的設置

      為了能夠使丹佛斯變頻器與三相異步電機以及PLC控制器配合使用，首先要設置變頻器的相關參數(shù)。在變頻器上安裝LCP控制面板，首先根據(jù)使用電機的參數(shù)錄入變頻器1系列“負載和電機”參數(shù)。本例中，變頻器采用通訊的控制方式，所以同樣需要設定8系列“通訊和選件參數(shù)”，通過以上簡單的設置，PLC就可以控制電動機的運行了。

      永宏PLC默認的通訊參數(shù)為：波特率9600bps，數(shù)據(jù)長度8Bits，奇偶校驗Even，停止位1Bits，在設置通訊參數(shù)時，要保持PLC與變頻器的同學參數(shù)一致，否則不能夠正常通訊。右圖是丹佛斯的LPC控制面板圖。

三 設備的調試

3.1設備的調試

3.1.1程序邏輯的調試

      由于客戶要求PLC控制三臺不同功率的變頻器，每臺變頻器還可以單獨設置手動、自動狀態(tài)，自動運行時，先啟動功率小的電機，后啟動功率大的

電機，所以在程序編輯及調試的時候要比“一拖三”結構，即一臺變頻器控制三臺功率相同的三相異步電動機的方式繁瑣。

      在程序調試中，遇到的一個較棘手的問題是：當系統(tǒng)處于PID控制中，PLC對設備手動、自動切換的處理。譬如，一號設備處于手動狀態(tài)，二號、三號設備處于自動狀態(tài)。系統(tǒng)運行之后，PLC先啟動二號電機，進行PID控制，這時假如一號設備被投切到自動狀態(tài)，系統(tǒng)改保持二號設備處于PID控制狀態(tài)，還是停止二號設備運行，啟動一號設備進行PID控制。前者，違背了客戶先啟動功率較小電機的要求；后者使控制效果變差。

      最終我們選擇了后一種方案，在自動運行狀態(tài)時，遇到手自動切換，程序重新從處于自動狀態(tài)的功率較小的設備開始啟動。

3.1.2模擬量通道的選擇

      起初，為了節(jié)省成本，壓力模擬量信號是由變頻器本身讀取的，通過通訊的方式傳送給上位機PLC，但是考慮到這種方式的可靠性較差，還是通過PLC外拓的模擬量模板來采集現(xiàn)場的壓力信號，以保證系統(tǒng)的可靠性。

3.2 難點分析

      永宏PLC人性化、通俗化的編程軟件讓使用者操作起來更簡單，對于Modbus通訊、泛用PID的設置操作起來較簡單方便。系統(tǒng)的難點在于邏輯關系的實現(xiàn)以及PID參數(shù)的設置。邏輯關系的實現(xiàn)即如程序邏輯調試中介紹的，不能使客戶的控制工藝要求與控制效果的連續(xù)性同時得到滿足。對此，我跟客戶進行了溝通，客戶要求首先要滿足控制工藝，對于設計方案中的控制效果，也差強人意。最終，我們采取了以下的控制方案：在自動運行狀態(tài)時，遇到手自動切換，程序重新從處于自動狀態(tài)的功率較小的設備開始啟動。

      PID參數(shù)的設定是控制系統(tǒng)調試中一個重要的組成部分，PID整定通常憑借工程經驗，直接在控制系統(tǒng)中試驗測試，方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。

三 設備運行

3.1設備運行狀況

      經過了幾天的調試，設備已經能夠正常運行。按照客戶的需求，處于手動狀態(tài)的設備，能夠根據(jù)外部模擬量信號的給定，控制水泵的運行；處于自動狀態(tài)的設備，能夠在PLC的控制下，從低功率水泵開始啟動，經PID自動調節(jié)，實現(xiàn)水壓的恒定。水泵的投切是按照以下的順序：當現(xiàn)場壓力采集值小于壓力設定值時，經由PID自動調節(jié)，提高處于PID調節(jié)狀態(tài)的設備的輸出功率，或讓當前設備工頻輸出，同時啟動功率更大的水泵；當現(xiàn)場壓力采集值大于壓力設定值時，經由PID自動調節(jié)，降低處于PID調節(jié)狀態(tài)的設備的輸出功率，或投切掉當前設備，經PID調節(jié)功率較小的設備，實現(xiàn)壓力恒定。

3.2客戶反饋

      經過了一段時間的現(xiàn)場應用，客戶反映永宏PLC的PID自動調節(jié)功能基本上滿足預期的功能，PLC主站與三臺從站變頻器的通訊以及PLC與文本顯示器的通訊無異常、通訊速率較快，通訊延遲小。總之，客戶對永宏PLC優(yōu)良的性能表示肯定。

四 應用體會

      通過此案例，我們了解到永宏PLC在性能上的一些優(yōu)勢。1、永宏PLC有良好的通訊性能，在于多臺從站的數(shù)據(jù)交換中，無通訊異?，F(xiàn)象，而且通訊速率快，網絡延遲小。2、永宏PLC強大的指令集，使程序編寫更人性化，通俗易懂。3、表格設定使操作更簡單，在項目中用到了Modbus Master表格，通過此表格作為向導來設定Modbus通訊相關數(shù)據(jù)，使得操作過程更簡單。4、硬件可靠性高，在設備的運行過程中，PLC持續(xù)運行，未出現(xiàn)異常，客戶對永宏產品硬件性能表示肯定。

五 參考文獻

[1] 范堤商貿（上海）有限公司. 永宏可編程控制器使用手冊I【硬件篇&指令篇】. 2010

[2] 范堤商貿（上海）有限公司. 永宏可編程控制器使用手冊II【進階應用篇】. 2010