劉法治,樊克艷,李?lèi)?ài)國(guó)

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.延津縣電業(yè)局，河南延津453200；3.輝縣市北云門(mén)鎮(zhèn)人民政府,河南輝縣453600）

某機(jī)械公司的燃油箱生產(chǎn)車(chē)間冷卻用水,采用氣壓罐式的增壓設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)供水,因車(chē)間用水量波動(dòng)較大,而供水的水泵拖動(dòng)電機(jī)是恒速電動(dòng)機(jī),為了維持供水系統(tǒng)水壓恒定,電能大多消耗在頻繁的啟、停水泵電機(jī)的過(guò)程中,水泵電機(jī)也時(shí)常工作在低效率區(qū),縮短電機(jī)使用壽命.電機(jī)的頻繁啟動(dòng)和停止,會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊,導(dǎo)致設(shè)備故障率很高,造成水資源的污染和浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)成本增大.隨著產(chǎn)品產(chǎn)量的增加和產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高,水價(jià)的不斷提高,對(duì)冷卻水用水量和質(zhì)量提出了更高的要求.

單片機(jī)、PLC和變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展和在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,為解決傳統(tǒng)供水系統(tǒng)存在的問(wèn)題提供了技術(shù)基礎(chǔ).針對(duì)上述所存在的問(wèn)題,采用單片機(jī)或PLC與變頻器結(jié)合為核心的恒壓供水控制系統(tǒng),具有節(jié)能、安全與恒壓等方面的優(yōu)點(diǎn).盡管單片機(jī)在硬軟件設(shè)計(jì)、抗干擾能力等方面的性能都有很大提高,但PLC與單片機(jī)相比,PLC更適應(yīng)生產(chǎn)車(chē)間的惡劣環(huán)境和工業(yè)控制的要求,因此本設(shè)計(jì)采用西門(mén)子S7-200 PLC（帶有PID功能）作為中心控制單元[1],根據(jù)車(chē)間實(shí)際用水量隨時(shí)改變水泵轉(zhuǎn)速,并可根據(jù)實(shí)際情況轉(zhuǎn)換手動(dòng)、自動(dòng)和火警等工作方式,實(shí)現(xiàn)水壓的恒定控制.使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%,據(jù)實(shí)驗(yàn)研究可知,轉(zhuǎn)速降低20%～50%,可節(jié)電50%～80%,經(jīng)濟(jì)效益非常顯著,所以在工業(yè)生產(chǎn)中極具推廣價(jià)值.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖1 恒壓供水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)主要是由西門(mén)子S7-200系列PLC、模擬量擴(kuò)展模塊EM235、變頻器、水泵、電動(dòng)機(jī)、壓力傳感器、液位傳感器、電源控制柜、接觸器、中間繼電器、熱繼電器、空氣開(kāi)關(guān)、按鈕以及控制線路等組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

1.2 工作原理

控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器,把出口的壓力信號(hào)變成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),送入PLC的智能擴(kuò)展模塊EM235的A/D轉(zhuǎn)換模塊,經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入PLC內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器,經(jīng)PID運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較運(yùn)算后,輸出4～20 mA的控制信號(hào)送給變頻器,由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)供水量,使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上,這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng)；在變頻器中設(shè)定一個(gè)上限頻率和一個(gè)下限頻率,用水高峰時(shí)變頻器迅速上升到上限頻率,若供水壓力達(dá)不到設(shè)定值,PLC就增加工作泵的數(shù)量；用水處于低峰時(shí)變頻器輸出達(dá)到下限頻率,若供水壓力仍高于設(shè)定值,PLC就減少工作泵的數(shù)量.同時(shí)PLC也控制電機(jī)的起停、變頻與工頻的切換等,使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定,進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的.工頻與變頻之間轉(zhuǎn)換用交流接觸器互鎖來(lái)保證它的安全與可靠[2].變頻器、水泵電機(jī)之間的主線路如圖2所示.

圖2 電源、變頻器、水泵電機(jī)的主線路

1.3 系統(tǒng)起動(dòng)

在自動(dòng)運(yùn)行方式下起動(dòng)時(shí),首先自檢.自檢包括：PLC、變頻器、電動(dòng)機(jī)、水池水位等檢測(cè).若水池水位符合設(shè)定水位要求,PLC控制主泵拖動(dòng)電機(jī)M1的變頻交流接觸器吸合,電機(jī)與變頻器連通,變頻器輸出頻率從20 Hz開(kāi)始上升,此時(shí)壓力變送器將此時(shí)檢測(cè)壓力信號(hào)送給PLC,經(jīng)PID運(yùn)算后,如壓力不夠,則變頻器的輸出頻率上升.

1.4 運(yùn)行方式

運(yùn)行方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種.手動(dòng)運(yùn)行方式時(shí),為確保用水,在現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕開(kāi)關(guān),使接觸器工作,控制輔助泵拖動(dòng)電機(jī)M2工頻運(yùn)行；若PLC手動(dòng)程序可用,可設(shè)置一臺(tái)泵變頻運(yùn)行,當(dāng)用水量不夠時(shí),可手動(dòng)投入另外一臺(tái)水泵工頻運(yùn)行.該方式主要用于設(shè)備調(diào)試、檢修和自動(dòng)控制系統(tǒng)失靈.

自動(dòng)運(yùn)行方式時(shí),首先由主泵變頻運(yùn)行,變頻器輸出頻率從20 Hz上升,同時(shí)PID調(diào)節(jié)器把接收到的信號(hào)與給定壓力比較運(yùn)算后,送給變頻器,如壓力不夠,則變頻器輸出頻率上升,當(dāng)頻率上升到上限頻率時(shí),變頻器輸出一個(gè)上限頻率到達(dá)信號(hào)給PLC,PLC接收到信號(hào)后經(jīng)延時(shí),主泵迅速切換為工頻,輔助泵變頻啟動(dòng)；同理,若用水量減少,變頻器輸出頻率下降,輔助泵轉(zhuǎn)速降低,當(dāng)頻率下降至下限頻率時(shí),PLC就將輔助泵切除,使主泵由工頻轉(zhuǎn)換為變頻運(yùn)行,始終保持管網(wǎng)壓力使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行[3].

1.5 輔助泵運(yùn)行

因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)用水的時(shí)段性較強(qiáng),當(dāng)用水很少時(shí),主泵為了維持供水壓力也需要長(zhǎng)時(shí)間工作在25 Hz左右,電動(dòng)機(jī)不僅要消耗相當(dāng)大的電能,同時(shí)還要長(zhǎng)期工作在低頻狀態(tài),大大影響電動(dòng)機(jī)的壽命,為了維持出水壓力,可只運(yùn)行輔助泵,當(dāng)主泵在設(shè)定的低頻標(biāo)準(zhǔn)下工作規(guī)定時(shí)間后,由輔助泵變頻工作,不僅電動(dòng)機(jī)工作在較高頻率,而且消耗的電能也很小.

1.6 水池水位檢測(cè)

在供水的過(guò)程中,PLC通過(guò)水位傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水源水位,若水位低于設(shè)定的報(bào)警水位時(shí),蜂鳴器發(fā)出缺水報(bào)警信號(hào)；若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時(shí),停止全部水泵工作,防止水泵干抽,并發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號(hào)；若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時(shí),自動(dòng)關(guān)斷水池給水管電動(dòng)閥門(mén).

1.7 故障處理與水泵檢修

當(dāng)出現(xiàn)變頻器故障、缺相、液位下限、超壓等情況時(shí),系統(tǒng)皆能發(fā)出報(bào)警信號(hào).特別是缺相、達(dá)到液位下限時(shí),系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)停機(jī),并發(fā)出報(bào)警信號(hào),通知維修人員前來(lái)維修；當(dāng)變頻器故障時(shí),PLC收回變頻器對(duì)水泵的控制權(quán),并發(fā)出指令使全部水泵停機(jī),此時(shí)可切換至手動(dòng)方式保證系統(tǒng)不間斷供水.

為維護(hù)和檢修主泵,要求在供水低峰狀態(tài)下,在一段時(shí)間間隔內(nèi)使主泵停運(yùn),系統(tǒng)此時(shí)停止主泵運(yùn)行,啟動(dòng)輔助泵,同時(shí)不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 水泵和電動(dòng)機(jī)的選用

以某機(jī)械公司的燃油箱生產(chǎn)車(chē)間冷卻供水系統(tǒng)為例,根據(jù)冷卻水用量,選用主離心水泵一臺(tái),其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率30 kW,輔助離心水泵一臺(tái),要求輔助泵揚(yáng)程和主泵相同,且其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)在主泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的1/4到1/6之間.

2.2 PLC及擴(kuò)展模塊的選用

在滿足控制要求的原則上,盡量降低成本,PLC選用西門(mén)子公司的S7-200系列的CPU224CN為主機(jī),它有14/10共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn),2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出,16 K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,內(nèi)置有PID控制器.1個(gè)RS485通訊/編程口及多種通訊協(xié)議[4],數(shù)據(jù)設(shè)定值、信號(hào)數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、控制信號(hào)輸入輸出等由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn).數(shù)據(jù)設(shè)定值包括壓力上下值、水位上下值及頻率上下值等,信號(hào)數(shù)據(jù)讀取包括讀取水壓、水位、頻率、變頻泵號(hào),頻率工頻臺(tái)數(shù)等,控制信號(hào)輸入輸出包括五部分：起動(dòng)、運(yùn)行、停止、切換、報(bào)警及故障自診斷等.

本設(shè)計(jì)擴(kuò)展模塊選用1個(gè)EM235模擬量輸入模塊,它是A/D轉(zhuǎn)換模塊,具有4個(gè)模擬量輸入和1個(gè)模擬量輸出,12位A/D輸入信號(hào)是由多路開(kāi)關(guān)依次采集的,所使用的數(shù)值是數(shù)字濾波器求取采樣值的平均值.壓力傳感器的輸出信號(hào),經(jīng)過(guò)變送器調(diào)理和放大處理后,成為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),EM235模塊自動(dòng)完成A/D轉(zhuǎn)換；同時(shí)擴(kuò)展了1個(gè)EM223的數(shù)字量輸入/輸出模塊,它有4/4共8個(gè)I/O點(diǎn),作用是提供附加的輸入/輸出點(diǎn),這樣完全可以滿足系統(tǒng)的要求.

2.3 變頻器的選擇

在滿足控制要求的情況下,變頻器選用了西門(mén)子公司的產(chǎn)品,該變頻器采用MM430節(jié)能型模塊,可大大降低電機(jī)高頻噪聲,減少對(duì)電網(wǎng)的污染,同時(shí)也能降低水泵電機(jī)溫升[2].其保護(hù)及報(bào)警功能完善,可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,內(nèi)置有RS-232通訊接口.

2.4 傳感器的選擇

為了使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、合理和控制方便,采用德國(guó)E+H公司的CeraharTPMC131壓力傳感器,量程為0～1.0 MPa；采用Prosonic FDU液位傳感器,這兩種傳感器均輸出4～20 mA的電流信號(hào)經(jīng)光偶輸出給PLC取得壓力和液位信息.傳感器與PLC的接線之間要通過(guò)直流感性負(fù)載電路,以防止電流對(duì)PLC的沖擊而使其發(fā)生故障.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 I/O口分配

冷卻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及到12個(gè)數(shù)字量輸入和1個(gè)模擬量輸入,12個(gè)數(shù)字量輸出和1個(gè)模擬量輸出.設(shè)置6個(gè)操作鍵、4個(gè)開(kāi)關(guān)量傳感器、2個(gè)開(kāi)關(guān)量開(kāi)關(guān)和1個(gè)模擬量傳感器作輸入信號(hào)；這6個(gè)操作鍵包括：?jiǎn)?dòng)開(kāi)關(guān)、停機(jī)開(kāi)關(guān)、自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、報(bào)警解除開(kāi)關(guān)、2個(gè)在手動(dòng)控制下控制通水泵運(yùn)行開(kāi)關(guān)；4個(gè)開(kāi)關(guān)量傳感器包括：2個(gè)為反映拖動(dòng)水泵的電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障的熱繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào),2個(gè)為反映水位高、低開(kāi)關(guān)信號(hào)；2個(gè)反映變頻器上、下限頻率開(kāi)關(guān)信號(hào)；1個(gè)用于測(cè)量水壓值的模擬量輸入信號(hào).其具體的輸入輸出地址分配如表1所示.

表1 PLC的I/O地址分配

3.2 程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中,PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入以及管網(wǎng)的壓力信號(hào)和水池水位信號(hào),判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常,然后執(zhí)行程序,整個(gè)系統(tǒng)中PLC既有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出,又有變頻器和PLC的通信,因此在PLC控制軟件編程上采用模塊式結(jié)構(gòu),各種功能的程序模塊通過(guò)主程序有機(jī)地結(jié)合起來(lái),在系統(tǒng)啟動(dòng)后,PLC上電初始化,檢測(cè)系統(tǒng)各部分狀態(tài)信息,若有報(bào)警信息則首先發(fā)出警告,若無(wú)報(bào)警信息,則起動(dòng)主泵變頻運(yùn)行,實(shí)時(shí)檢測(cè)出水壓力并進(jìn)行PID運(yùn)算,由輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器和變頻器等器件,以完成保持供水壓力恒定的任務(wù).主程序流程如圖3所示.

4 結(jié)論

采用PLC和變頻器技術(shù)對(duì)某機(jī)械公司的燃油箱生產(chǎn)車(chē)間冷卻供水系統(tǒng)進(jìn)行改造,解決原供水控制設(shè)備供水壓力波動(dòng)大、系統(tǒng)故障率高和二次水污染等問(wèn)題,運(yùn)行試驗(yàn)證明本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）采用PLC實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的投入和切換,可靠性好,靈活性大,抗干擾能力強(qiáng).另外通過(guò)PLC和變頻器還可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)短路、過(guò)載、電源欠壓和過(guò)壓等保護(hù)功能.

（2）系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式,便于調(diào)試和檢修,并可在出現(xiàn)故障時(shí)切換到手動(dòng)控制方式,保證連續(xù)供水.

（3）采用變頻調(diào)速恒壓供水,可較好的節(jié)約能源.

總之,以PLC為核心的變頻調(diào)速控制系統(tǒng),具有功能完善、運(yùn)行可靠、調(diào)整方便、節(jié)能效果顯著、恒壓供水質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn),對(duì)大中型企業(yè)改進(jìn)工廠車(chē)間供水系統(tǒng)具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值.

[1]石玉明,譚立新.基于S7-200的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22（1）：114-116.

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