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1、水井自动控制系统摘要：文章针对矿泉水生产水井控制自动化改造项目，采用三菱FX2N型PLC做控制器,使用两台变频器,利用基于PLC的PID算法实现了水厂水井恒水位控制,供水恒压力控制,并通过触摸屏显示水位、流量、压力、温度等参数监控。改造后真正能够达到自动恒水位运行，恒压力供水。实现无人值守，大大减轻工人的劳动强度。系统运行正常，具有实用价值。关键词：PLC 触摸屏 变频器 PID调节 恒水位控制 恒水压控制一、 引言随着自动控制技术的发展，PLC在自动控制中的应用越来越广泛，它早已突破纯开关量控制的局限而进入到模拟量控制等其它领域，成为过程控制不可缺少的核心部件。本文介绍的控制系统通过PLC控
2、制模拟量实现水井恒水位控制，供水恒压力控制，水井数据监测、显示、报警，水井故障报警显示。该项目对恒水位控制应用有一定的参考价值。二、 水井自动控制系统背景以生产优质天然矿泉水为主的企业，对水质的要求较高。由于天然矿泉水的品质要求对每个水井必须保持其水的化学成分、流量、水温等动态参数在天然波动范围内相对稳定。从最早的水位人工测量，到后来的水位探头配合电机控制器，再到水位传感器加变频器，一步步走来。发展到现在的模拟PID,基于PLC控制的数字PID调节器的应用，每一步都使控制性能得到很大改善。本文根据天然矿泉水生产实际需要，将数字PID算法应用到水井自动控制系统中，使其能够根据水位的变化实时控制水
3、井泵变频器的频率，从而使水位始终保持平衡。三、 水井自动控制系统的技术要求根据生产实际需要，结合工艺要求，水井自动控制系统实现功能和技术要求如下：1.水井恒水位控制，水位误差设定值0.2米；缓冲罐恒水压控制，压力误差设定值0.2公斤。2.为保持地下水的动态平衡，采用PID闭环调节功能。3.显示参数：水位、流量、水压、水温、频率。4.控制方式：手动/自动切换；5.水位、水压可人工设定，并由程序给定了初始值，水井水位20 米，加压泵水压3 公斤。6.报警显示：水位低于4米报警提示。低于2米水泵停止运行。四、 方案选择和论证4.1方案选择：方案1：用水位探头检测水位，人工通过阀门开度控制流量。缓冲罐
4、也通过阀门开度控制压力。这是最早采用的方法。优点：成本低、费用少。缺点：浪费能源，水位变化不稳定，控制精度低，人工难以掌握，需要有经验的熟练操作人员才能胜任。方案2：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，通过模拟量控制变频器实现水井恒水位控制，缓冲罐恒水压控制。优点：费用不高。缺点：水位变化不稳定，控制精度差，没有水井参数的显示。方案3：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，用触摸屏通过PLC用模拟量控制变频器实现水井恒水位控制，缓冲罐恒水压控制，为了提高精度还可以采用PID调节。优点：控制精度高，水位变化平稳，不破坏地下水的动态平衡，可实现水井参数的显示，
5、还可以节约能源。缺点：费用高，一次性投资大。方案4：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，用上位机通过组态软件控制PLC,几个井都可以控制，每个井通过I/O站用CC-LINK现场总线连接，是最理想的方案。优点：控制精度高，水位变化平稳，不破坏地下水的动态平衡，可实现几个水井参数的显示，还可以节约能源。缺点：费用较高，一次性投资更大。4.2方案论证本系统由于实际的水井有几个，从工艺图看只画出一个。实际进入缓冲罐的水有几个井的水，从技术的角度分析，采用方案4较理想，由于成本原因，暂时采用方案3。方案1和2达由于不到技术要求，不宜采用。等下一步条件成熟，可以升级为方案4。基于以上设
6、计思路，本方案PLC主模块留有一定量的I/O点，以利于系统进一步扩展。4.3结论 选择方案3：用水位传感器检测水井水位，压力传感器检测缓冲罐出口水压，用触摸屏通过PLC用模拟量控制变频器实现水井恒水位控制，缓冲罐恒水压控制，为了提高精度还可以采用PID调节。五、 水井自动控制系统概述天然矿泉水的主要成分是矿泉水，矿泉水来源于地下100多米的岩石层，采用不锈钢管用网状结构组成水井，地下水靠渗漏的形式进入井内，由于地下水是流动的，在井内停留的时间长，就会变质，容易产生霉菌。所以，井内水不能停留时间长，要及时抽走。但是地下水的流量是有变化的。我们不能破坏地下水的动态平衡，否则，容易产生杂质，污染水源
7、带，引起同一水源带其它井的污染，这是很严重的后果。所以，我们通常采用恒水位控制，使之达到动态平衡。以前我们用变频器加水位探头人工很难控制。水位、流量、水压等参数靠人工测试，劳动强度大，人为因素多。我们在旧系统中，恒水位，恒压供水一般采用起动或停止水井泵、加压站泵和调节出口阀开度来实现。控制系统是采用继电接触器控制线路，这种系统线路复杂，维护困难，操作麻烦，工人要24小时值班看守，劳动强度大。所以有必要对之进行改造，提高自动化水平。本文介绍的用于天然矿泉水水井恒水位，加压泵恒压供水监控系统，采用三菱FX2n型PLC（fx2n-32mr-001），带三个特殊扩展模块（FX2n-4AD,FX2n-4
8、AD-PT,FX2n-2DA），（图5-1 PLC硬件组态图）三菱FR-F540-3.7K-CH变频器，A950-GOT触摸屏进行监控，自动化程度高，整个工作程序自动完成，能清楚地显示各个设备的实时状态，并自动调节水位、水压。本系统还设有多种保护，如水位超限报警、水位超极限停机处理、水泵电机电流过流保护报警（通过变频器）并处理等。可以显示水井的水位、流量、水压、温度等参数。实现恒水位控制水井，恒水压控制供水。水位误差可以做得很小。本实例实际控制在200.2米左右。实际生产中已经完全满足需要。为了适应更高的精度，采用了PID调节。图5-1 PLC硬件组态图六、 水井自动控制系统工作原理6.1 水
9、井自动控制系统工艺流程：图6-1 系统工艺流程图：系统工艺流程图如图6-1所示，水井泵将水井内的水抽到压力缓冲罐，缓冲罐内的水又经过加压泵抽到锰砂罐，水经过锰砂罐过滤后再压到生产用水原水池供生产使用。由于水井内的水量是随时变化的，水泵流量一般通过变频器控制。流量大，水井内的水可能不够用，水井会抽干。水泵流量小，水不能满足生产需要。所以，最理想的办法是保持水井水位不变，达到动态平衡。另外，缓冲罐里的水如果直接进入锰砂罐，由于前面恒水位控制压力变化较大，水压小时水抽不上，造成水井变频器过载跳闸。所以，我们再加一级加压泵，采用恒压控制，保持压力稳定。6.2 系统工作原理： 根据以上工艺流程，水井内的
10、水必须保持恒定的水位。所以，水井泵采用恒水位控制。水井内的水经过水井泵抽到缓冲罐，加缓冲罐的目的显然是让几个井的水有一个缓冲。缓冲罐的水经过加压泵抽到锰砂罐，锰砂罐里面装有锰砂，主要是除去部分水中悬浮物、胶体有机物及水中的铁锰离子，出水达到一定指标（铁锰总量15ppb）。锰砂罐出口到原水池必须保持恒定的压力，所以，加压泵采用恒压力控制。需要说明的是，每个水井泵的大小是根据水源勘测地质资料由水井工艺工程师选定的。加压泵也是根据几个井的流量由水井工艺工程师选定的。在此不考虑选择问题。七、 硬件系统设计7.1 设计方案7.1.1主电源回路设计： 该系统主电源采用三相五线制供电，设计有总电源开关QF1
11、,两个变频器分别用QF2，QF3控制，QF4控制PLC供电，QF5控制稳压电源供电。详情见附件电气接线图（cad图）7.1.2 辅助电源设计：为了保证PLC的高可靠性，模拟量模块的直流24v电源单独供电，加装了直流稳压电源，此电源还给触摸屏提供24V供电。详情见附件电气接线图（cad图）7.1.3 PLC硬件设计:本着经济性、可靠性、先进性、可扩展性的设计思想，本设计采用三菱FX2N-32MR-001型PLC，带三个特殊扩展模块（FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT,FX2n-2DA），见图5-1 PLC硬件组态图 模拟量输入模块FX2n-4AD是12位高精度分辨率A/D转换模块，提供4通
12、道电压或电流输入，本实例采用二线制4-20mA电流输入，精度1%，主要用于传感器测量水井的水位、流量、水压、加压泵水压，完全满足实际需要。 模拟量输入模块 FX2n-4AD-PT是与白金测温电阻（pt100、3线型）配合测量水井的水温。 模拟量输出模块 FX2n-2DA是12位高精度分辨率D/A转换模块，提供2通道电压或电流输出，本实例采用0-10电压输出，精度1%，主要用于控制水井泵和加压泵的变频器实现恒水位、恒水压控制。，7.1.4 模拟量处理：模拟量转换如下所示:水井：水位传感器A/D转换PLCD/A转换变频器 触摸屏显示缓冲罐：压力传感器A/D转换PLCD/A转换变频器 触摸屏显示其它
13、传感器A/D转换PLC触摸屏显示模拟量输入数值转换：如下表所示：项目传感器量程对应输入模块数字量电流或温度转换倍率水位0-50m0-10004-20mA20水压0-30kg0-10004-20mA33流量0-20m/h0-10004-20mA50水温-100C -600C-1000-6000-100C -600C10表7-1模拟量输入数值转换水位，流量，压力0-1000，分别对应0-50米，0-20米，0-3mpa。温度-1000-6000，对应-100-600摄氏度。程序中都作了相应转换。模拟量输出数值转换：如下表所示：项目频率对应输出模块数字量电压控制参数水井泵变频器0-50hz0-400
14、00-10V恒水位加压泵变频器0-50hz0-40000-10V恒压力表7-2模拟量输出数值转换两台变频器数值转换相同，数字量0-4000对应0-10V模拟量,分别送到变频器的0-10V端子2-5之间。由于水位和水压操作人员只知道实际的量，如多少米等。所以水位设定值和水压设定值也需要转换，PLC程序中作了相应转换。如下表所示：项目实际数字量转换倍率水位0-50m0-100020水压0-30kg0-100033表7-3设定值转换由于触摸屏送入整数不能显示小数位，程序中转换为浮点数显示在触摸屏上。7.2 I/ O分配 7.2.1 PLC I/O分配表：地址名称X0水井泵手动/自动X1水井泵启动X2水井泵停止X3加压泵手动/自动X4加压泵启动X5加压泵停止Y0水井泵变频器STFY1加压泵变频器STF7.2.2 辅助继电器数据寄存器分配：地址名称M0水井泵自动/手动M1水井泵手动频率上升调节M2水井泵手动频率下降调节M8加压泵手动频率上升调节M9加压泵手动频率下降调节M10-M25加压泵D/A转换使用M30-32检查模块FX2N-4ADM40-M55FX2N-4AD通道使用M60-m62检查模块FX2N-4AD-ptM70-m85FX2N-4AD-pt通道使用M8
