趙彥威，王東岳，朱燕叢

(北京工業(yè)大學(xué)耿丹學(xué)院，北京 101301)

自動(dòng)控制、電機(jī)拖動(dòng)、變頻器等課程教學(xué)中，會(huì)列舉典型的變頻調(diào)速實(shí)例、控制系統(tǒng)實(shí)例，恒壓供水系統(tǒng)具有代表性。隨著變頻調(diào)速技術(shù)，控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，供水系統(tǒng)種類豐富，為教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)陸續(xù)推出。為了節(jié)約能源，利用模糊控制進(jìn)行變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)一套恒壓供水教學(xué)系統(tǒng)［1］。

1 系統(tǒng)組成與工作原理概述

供水教學(xué)系統(tǒng)主要有實(shí)驗(yàn)臺(tái)，控制柜，模擬水井，模擬蓄水池，工控機(jī)，檢測(cè)元件組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

抽水泵從深水井(教學(xué)系統(tǒng)中未模擬水井)抽水，注入蓄水池，蓄水池的水經(jīng)加壓泵向用戶供水，為得到恒定的水壓，PLC 根據(jù)水壓給定值與水壓實(shí)際值比較，運(yùn)用模糊控制算法，計(jì)算得到輸出量，作用于變頻器，變頻器調(diào)節(jié)水泵速度，從而保證用戶得到恒定的水壓［2］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 元件選型與PLC 控制設(shè)計(jì)

根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，編程復(fù)雜程度，以及模擬量的數(shù)量，系統(tǒng)選用PLC 為西門子的S7-200 CPU 224 XP CN;變頻器為紫日電氣的ZVF9-G0015T4/P0015T4;壓力傳感器為北崎電氣的PG-801E 數(shù)顯壓力表;選擇的加壓泵為西山牌的微型水泵MP-55RM。系統(tǒng)的操作回路如圖2 所示。

蓄水池裝有兩個(gè)浮子，分別標(biāo)為FZ 上、FZ 下，F(xiàn)Z 上安裝在上限水位、FZ 下安裝在下限水位處，當(dāng)水位達(dá)到相應(yīng)位置時(shí)浮子的開關(guān)狀態(tài)改變，PLC 進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算和信號(hào)輸出，控制接觸器KM1、綠色信號(hào)燈HL1 和紅色信號(hào)燈HL2，從而自動(dòng)控制抽水泵M1 的啟停和信號(hào)燈的亮滅，使蓄水箱的水位始終保持在一定的范圍內(nèi)。我們能通過控制面板的紅綠信號(hào)燈了解系統(tǒng)的抽水泵的啟停狀態(tài)［3］。抽水泵動(dòng)作PLC 梯形圖程序如圖3 所示。

當(dāng)空氣開關(guān)QS1 閉合時(shí)，抽水泵、變頻器、壓力傳感器都處于通電狀態(tài)，用戶管網(wǎng)的主管道上接的數(shù)顯壓力表測(cè)得用戶管網(wǎng)的水壓數(shù)據(jù)傳到PLC，PLC 根據(jù)模糊控制算法進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)給定值與實(shí)際值的差值，將輸出量分為5 個(gè)等級(jí)，即++，+，0，－，－－。如果水壓值遠(yuǎn)小于設(shè)定值，則PLC 控制輸出最大量(++)使加壓泵提高供水壓力，輸送給用戶管網(wǎng)，直到用戶管網(wǎng)的水壓達(dá)到設(shè)定值。如果水壓值稍小于設(shè)定值，則PLC 控制輸出次大量(+)使加壓泵提高供水壓力，輸送給用戶管網(wǎng)，直到用戶管網(wǎng)的水壓達(dá)到設(shè)定值。如果水壓值接近設(shè)定值，則PLC 控制輸出量為0，使加壓泵保持現(xiàn)狀。如果水壓值遠(yuǎn)大于設(shè)定值，則PLC 控制輸出最大量(－－)使加壓泵減小供水壓力，輸送給用戶管網(wǎng)，直到用戶管網(wǎng)的水壓達(dá)到設(shè)定值。如果水壓值稍小于設(shè)定值，則PLC 控制輸出最大量(－)使加壓泵減少供水壓力，輸送給用戶管網(wǎng)，直到用戶管網(wǎng)的水壓達(dá)到設(shè)定值。教學(xué)系統(tǒng)中，用戶管網(wǎng)的水流直接流回井水箱，完成一個(gè)水流循環(huán)。不同試驗(yàn)臺(tái)模糊控制的輸出等級(jí)不同，有9 級(jí)或更多級(jí)別，以供同學(xué)們對(duì)比學(xué)習(xí)。

此部分是設(shè)計(jì)的核心技術(shù)點(diǎn)，即利用模糊控制算法，由PLC 輸出控制量，通過變頻器對(duì)加壓泵調(diào)速，從而使得用戶管網(wǎng)的水壓穩(wěn)定地保持在某一設(shè)定值。

圖2 系統(tǒng)操作回路圖

圖3 抽水泵動(dòng)作PLC 梯形圖程序

2.2 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心是利用計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件以及互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布信息監(jiān)控整個(gè)恒壓供水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。教學(xué)系統(tǒng)中不同試驗(yàn)臺(tái)選擇不同的組態(tài)軟件，這樣同學(xué)們可以接觸工控領(lǐng)域常用的各大組態(tài)軟件。有組態(tài)王界面，有易控界面，有WinCC界面，還有MCGS 界面。通過組態(tài)軟件提供可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。

組態(tài)軟件直接與PLC 進(jìn)行通訊，在組態(tài)界面中，設(shè)備現(xiàn)狀直觀展示，使學(xué)生更易理解，直觀操作。還可通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布監(jiān)控畫面，輸入對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)全球監(jiān)控。

3 系統(tǒng)功能說明

恒壓供水教學(xué)系統(tǒng)涵蓋了多門機(jī)電類課程的教學(xué)內(nèi)容。

1)低壓電器課程學(xué)習(xí)

去掉變頻器與PLC，可以作為繼電—接觸器系統(tǒng)進(jìn)行低壓電器課程的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)，接線，調(diào)試實(shí)驗(yàn)。

2)傳感器課程學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)流量傳感器、壓力傳感器的具體運(yùn)用，選型，以及與其他部分的電氣連接。

3)自動(dòng)控制電氣實(shí)訓(xùn)功能

典型的工業(yè)控制實(shí)例，稍加改進(jìn)還能實(shí)現(xiàn)液位控制等典型閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4)PLC 編程實(shí)訓(xùn)功能

學(xué)生們?cè)诠た貦C(jī)上進(jìn)行PLC 的程序設(shè)計(jì)。在真實(shí)的系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，觀察控制效果，分析控制結(jié)果。

5)組態(tài)界面設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)功能

學(xué)生直觀進(jìn)行組態(tài)界面設(shè)計(jì)，與PLC 進(jìn)行通信，實(shí)戰(zhàn)操作，調(diào)試。

4 結(jié)束語

供水教學(xué)系統(tǒng)在某獨(dú)立學(xué)院教學(xué)過程中應(yīng)用，能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自動(dòng)化知識(shí)、工控知識(shí)，運(yùn)用該設(shè)計(jì)思想進(jìn)行改造，即可設(shè)計(jì)出典型的溫度，位置控制系統(tǒng)，有一定的參考價(jià)值。

［1］韋瑞錄.節(jié)能型恒壓供水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.Equipment Manufacturing Technology，2006，5：38－39.

［2］郎朗，崔祎，陳躍東.用模糊控制和變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒壓供水［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(1) ：80.

［3］西門子(中國) 有限公司.SIEMENS S7-200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)［Z］.2008：10－15.