用三菱PLC-FX2N与F940变频器设计一个带PID控制的恒压供水系统

控制要求：
（1）有两台水泵，按设计要求一台运行，一台备用，自动运行时泵运行累计100小时轮换一次，手动时不切换。
（2）两台水泵分别由m1、m2电动机拖动，电动机同步转速为3000转/min，由km1、km2控制。
（3）切换后起动和停电后起动须5s报警，运行异常可自动切换到备用泵，并报警。
（4）采用plc的pid调节指令。
（5）变频器（使用三菱fr-a540）采用plc的特殊功能单元fx0n-3a的模拟输出，调节电动机的转速。
（6）水压在0～10kg可调，通过触摸屏（使用三菱f940）输入调节。
（7）触摸屏可以显示设定水压、实际水压、水泵的运行时间、转速、报警信号等。
（8）变频器的其余参数自行设定。

软件设计：
1．fx2n-48mrplc 的i/o分配：根据控制要求及i/o分配，其系统接线图如图所示。

plc输入，x1：1号泵水流开关；x2：2号泵水流开关；x3：过压保护。

plc输出，y1：km1；y2：km2；y4：报警器；10：变频器stf。

2．触摸屏画面设：根据控制要求及i/o分配，制作触摸屏画面。
触摸屏输入：m500：自动起动。m100：手动1号泵。m101：手动2号泵。m102：停止。m103：运行时间复位。m104：清除报警。d300：水压设定。

触摸屏输出：y0：1号泵运行指示。y1：2号泵运行指示。t20：1号泵故障。t21：2号泵故障。d101：当前水压。d502：泵累计运行的时间。d102：电动机的转速。



3. plc的程序：根据控制要求，画出fx2n-48mr的程序梯形图、plc程序如下图所示。




plc的程序简述：plc得电后，通过程序把模块中的摸拟量压力信号转化成压力数字量(d160)，将压力的数据寄存器d160的值除以25以校正压力的实际值(由特殊功能模拟模块fx0n-3a的资料可知：因0-10kg对应的是数值是0-250，所以压力与数值的关系是1：25)。

在该系统中我们规定了电动机同步转速为3000转/min，所以同步转速的设定低于3000转/min对电机的保护是有好处的。这里我们把转速设定为不能超过1250转/min，则数值与通过pid程序运算的mv（输出）值d150（即电动机转速量）的关系为1：5(由特殊功能模拟模块fx0n-3a的资料可知：因数值是0-250对应的是0-1250转/min，则数值与转速的关系是1：5)。所以电动机的转速实际值校正数d102=d150×5÷10（其中除以10是因为所有实数参与pid的sv设定值>d500，pv当前值>d160，运算都是以1000%加入的。所以要得到mv输出值>d150的实际数值需要除以10）。因该系统中电机的转速是与压力成正比的,转速加大;压力也加大!（这里要注意：动作方向【s3】+1,当前值pv，d500设定值sv，d160；即bit=1，选择逆动作）所以将压力数字量寄存器d160用于pid程序的pv（当前）数字量做为时刻检查管内的当前压力状况。

4．变频器设置：
（1）上限频率pr1=50hz；（2）下限频率pr2=30hz；（3）基底频率pr3=50hz；（4）加速时间pr7=3s；（5）减速时间pr8=3s；（6）电子过电流保护pr9=电动机的额定电流；（7）起动频率pr13=10hz；（8）du面板的第三监视功能为变频繁器的输出功率pr5=14；（9）智能模式选择为节能模式pr60=4；（10）设定端子2～5间的频率设定为电压信号0～10v， pr73=0；（11）允许所有参数的读/写pr160=0；（12）操作模式选择（外部运行）pr79=2；（13）其他设置为默认值。

5. 系统调试：
（1）将触摸屏rs232接口与计算机连接，将触摸屏rs422接口与plc编程接口连接，编写好fx0n-3a偏移/增益调整程序，连接好fx0n-3a i/o电路，通过gain和offset调整偏移/增益。
（2）按图设计好触摸屏画面，并设置好各控件的属性，按图所示编写好plc程序，并传送到触摸屏和plc。
（3）将plc运行开关保持off，程序设定为监视状态，按触摸屏上的按钮，观察程序触点动作情况，如动作不正确，检查触摸屏属性设置和程序是否对应。
（4）系统时间应正确显示。
（5）改变触摸屏输入寄存器值，观察程序对应寄存器的值变化。
（6）按图连接好plc的i/o线路和变频器的控制电路及主电路。
（7）将plc运行开关保持on，设定水压调整为3kg。
（8）按手动起动，设备应正常起动，观察各设备运行是否正常，变频器输出频率是否相对平稳，实际水压与设定的偏差。
（9）如果水压在设定值上下有剧烈的抖动，则应该调节pid指令的微分参数，将值设定小一些，同时适当增加积分参数值。如果调整过于缓慢，水压的上下偏差很大，则系统比例常数太大，应适当减小。
（10）测试其他功能，是否跟控制要求相符。

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TO指令是从PLC对增设的特殊单元(如FX2N-4DA)缓冲存储器(BFM)写入数据的指令

TO，TOP：十六位连续执行和脉冲执行型指令
DTO，DTOP：三十二位连续执行和脉冲执行型指令

TO指令的编程格式： TO  K1  K12  D0  K2
*K1：特殊模块的地址编号，只能用数值，范围：0---7
*K12：特殊模块的缓冲存储器起始地址编号，只能用数值，范围：0---32767
*D0：源寄存器起始地址编号，可以用T，C，D数值和位元件组合如K4X0
*K2：传送的点数，只能用数值。范围：1---32767

TO  K1  K12  D0  K2指令的作用是： 将PLC的16位寄存器D0，D1的数值分别写入特殊单元（或模块）N0.1的缓冲寄存器（BFM）#12，#13中。

1、在特殊辅助继电器M8164闭合时，D8164内的数据做为传送点数。

2、特殊辅助继电器M8028断开状态，在TO指令执行时，自动进入中断禁止状态，输入中断和定时器中断不能执行。在这期间发生的中断只能等FROM指令执行完后开始执行。TO指令可以在中断程序中使用

3、特殊辅助继电器M8028闭合状态,在TO指令执行时,如发生中断则执行中断程序，TO指令不能在中断程序中使用。

FROM指令是将PLC增设的特殊单元(如FX2N-4AD)缓冲存储器(BFM)的内容读到可编程控制器的指令

FROM、FROMP：十六位连续执行和脉冲执行型指令
DFROM、DFROMP：三十二位连续执行和脉冲执行型指令

读出指令FROM的编程格式：FROM  K1  K29  D0  K2
*K1:特殊模块的地址编号，只能用数值，范围：0---7
*K29：特殊模块的缓冲存储器起始地址编号，只能用数值，范围：0---32767
*D0：目标寄存器起始地址编号，可以用T，C，D和除X外的位元件组合如K4Y0
*K2：传送的点数，只能用数值。范围：1---32767

FROM  K1  K29  D0  K2指令的作用是： 从特殊单元（或模块）N0.1的缓冲寄存器（BFM）#29，#30中读出16位数据传送至PLC的D0，D1寄存器里。

1、在特殊辅助继电器M8164闭合时，D8164内的数据做为传送点数 。

2、特殊辅助继电器M8028断开状态，在FROM指令执行时，自动进入中断禁止状态，输入中断和定时器中断不能执行。在这期间发生的中断只能等FROM指令执行完后开始执行。FROM指令可以在中断程序中使用。

3、特殊辅助继电器M8028闭合状态,在FROM指令执行时,如发生中断则执行中断程序，FROM指令不能在中断程序中使用。

FX2N-4AD是将输入通道接收到的模拟信号转换成数字量，此模块有四个输入通道，最大分辨率是12位。

FX2N-4AD：
1、可选用的模拟值范围是-10V到10VDC（分辨率：5mV），或者是4到20mA，-20mA到20mA(分辨率20μA)。

2、FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4AD共有32个缓冲存储器（每个是16位数据）。

3、FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点。这8个点可以分配成输入或输出。FX2N-4AD消耗FX2N主单元或有源扩展单元5V电源槽30mA的电流。

缓冲存储器（BFM）的分配如下：
*#0：通道初始化，缺省值H0000 。
*#1---#4：通道1---通道4的平均采样数（1---4096），用于得到平均结果。缺省值高设为8（正常速度），高速操作可选择1 。
#5---#8：通道1---通道4采样数的平均输入值，即根据#1---#4规定的平均采样次数，得出所有采样的平均值。
#9---#12：通道1---通道4读入的当前值。
#13，#14：保留，用户不可以更改。
*#15：选择A/D转换速度，设为0（缺省值）则选择正常速度（15ms/通道）；设为1则选择高速（15ms/通道）。
#16---#19：保留，用户不可以更改。
*#20：复位到缺省值和预设。缺省值为0 。
*#21：禁止调整偏移、增益值。缺省值为（0，1）允许状态 。
*#22：偏移，增益调整  G4 O4 G3 O3 G2 O2 G1 O1 。
*#23：偏移值 缺省值为0 。
*#24：增益值 缺省值为5000 。
#25---#28：保留，用户不可以更改。
#29：错误状态 。
#30：识别码K2010 。
#31：禁用。
带*标志的缓冲区（如#0）可以用BFM写入指令TO从PLC写入 。不带*标志的缓冲区(如#5)可以用BFM读出指令FROM读入到PLC 。偏移的定义：当数字输出为0时的模拟量输入值 。增益的定义：当数字量输出为+1000时的模拟量输入值。


实例如图：通道1与通道2用作电压输入，FX2N-4AD模块连接在特殊功能模块的0号位置，平均数设为4，PLC的D0，D1接收平均数字值。
1、读出识别码与K2010比较，如果识别码是K2010则表示PLC所连模块是FX2N-4AD，CMP指令将M1闭合（K2010等于D4）。

2、建立模拟输入通道#1，#2 。#0缓冲区的作用是通道初始化，从低位到高位分别指定通道1、通道4，位的定义为： 0--预设范围（-10V到10V）。1--预设范围（4mA到20mA）2--预设范围（-20mA到20mA）；3---通道关闭 。本例的H3300是关闭3，4通道，1，2通道设为模拟值范围是-10V到10VDC 。

3、将4写入缓冲区#1，#2，即将通道1和通道2的平均采样数设为4，含义大概意思就是每读取4次将这4次的平均值写入#5，#6。

4、读取FX2N-4AD当前的状态，判断是否有错误。如果有错误M10---M22相应的位闭合

5、如果没有错误，则读取#5，#6缓冲区（采样数的平均值）的值并保存到PLC寄存器D0，D1中。

PLC的程序简述：PLC得电后，通过程序把模块中的摸拟量压力信号转化成压力数字量。


将压力数字量的数据寄存器D160的值除以25为压力的实际值。由特殊功能模拟模块FX0N-3A的资料可知：0-10kg压力模拟量对应的是数据寄存器D160数值为0-250，所以压力模拟量与数据寄存器D160的关系是1：25。

实例指令：三菱特殊功能模块FX0N-3A采集4-20MA的压力模拟信号