韋云松

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031）

隨著鋁加工工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高，鋁加工生產(chǎn)工藝過程對(duì)供水系統(tǒng)的控制要求越來越高。比如在氣墊式連續(xù)熱處理等工藝過程中，若生產(chǎn)用水壓力不穩(wěn)定，造成水流量大小的波動(dòng)，就會(huì)影響鋁板帶的淬火產(chǎn)品品質(zhì)，流量波動(dòng)太大時(shí)，會(huì)使淬火產(chǎn)品報(bào)廢。當(dāng)供水壓力不足，將會(huì)影響設(shè)備的冷卻器和板式換熱器的冷卻效果，不滿足生產(chǎn)工藝要求，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成設(shè)備的散熱能力，造成設(shè)備損壞。

因此，在鋁加工生產(chǎn)設(shè)備采用可編程控制器控制的變頻調(diào)速的恒壓供水，為生產(chǎn)高端的航空航天鋁板帶產(chǎn)品的工藝控制奠定了基礎(chǔ)。采用可編程控制器作為核心控制部件，利用VVVF 變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)設(shè)備工藝的用水情況迅速調(diào)整供水的壓力波動(dòng)，達(dá)到恒壓供水的目的，提高了生產(chǎn)工藝的工作穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速恒定壓力供水系統(tǒng)硬件如圖1所示，主要由西門子S7-200、ABB的ACS400 變頻器、接觸器、壓力傳感器、水泵等部分組成。控制核心單元為西門子S7-200，內(nèi)部配備PID控制算法，根據(jù)設(shè)定的供水壓力信號(hào)與安裝在管道上壓力傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算和比較，得到管道壓力偏差和偏差的變化率，經(jīng)由PLC 內(nèi)部的PID 運(yùn)算后，PLC 通過Profibus 通訊將控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)輸出到VVVF變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運(yùn)行速度和水泵的運(yùn)行數(shù)量，根據(jù)壓力和流量的大小，控制投入運(yùn)行的水泵數(shù)量，并完成電機(jī)的啟動(dòng)停止、變頻與工頻的切換控制。使生產(chǎn)設(shè)備用水的工作壓力穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)配置有帶有WinCC的HP 工作站計(jì)算機(jī)，西門子S7-200的可編程控制器和ABB 公司的ACS400 變頻器，PLC 配備有模擬量的輸入輸出模塊，結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖

循環(huán)水泵站采用3臺(tái)132 kW的水泵并聯(lián)運(yùn)行，每一臺(tái)水泵入口出口設(shè)有截止閥，便于維護(hù)使用。安裝在出水管道上壓力傳感器，檢測(cè)出口冷卻水壓力的大小，并通過壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電信號(hào)，輸入到S7-200PLC的模擬量輸入模塊，控制器根據(jù)需要的壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)的壓力值進(jìn)行比例積分微分（PID）運(yùn)算，通過Profibus 網(wǎng)絡(luò)將控制信號(hào)發(fā)送到變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。開始啟動(dòng)時(shí)，一臺(tái)水泵在變頻器的控制下穩(wěn)定加速運(yùn)行，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50 Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大時(shí)，出水管道壓力仍沒有達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，可編程控制器發(fā)出控制信號(hào)，自動(dòng)地將第一臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，如壓力仍未達(dá)到，則繼續(xù)投入第三臺(tái)水泵。當(dāng)外部的生產(chǎn)設(shè)備用水量減少時(shí)，循環(huán)管道中的水壓壓力將會(huì)提高，壓力傳感器將會(huì)檢測(cè)并發(fā)送給PLC，通過計(jì)算自動(dòng)降低變頻器的輸出頻率，或減少水泵的運(yùn)行數(shù)量。

根據(jù)水泵的揚(yáng)程流量特性，水泵的轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程有關(guān)，而且當(dāng)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于一定的數(shù)值時(shí)，水泵的輸出揚(yáng)程（壓力）將變得非常小。因此，需要設(shè)定變頻器的最小運(yùn)行頻率，以便水泵輸出足夠的壓力和保護(hù)電機(jī)，一般變頻器輸出最小頻率設(shè)定為15 Hz。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)程序，主要有水壓的壓力控制程序和電機(jī)輪流切換程序，包含水管泄漏、堵塞、電機(jī)過流保護(hù)等必要程序。

水壓的壓力控制程序，主要是控制循環(huán)供水管道中的水壓，保證管道壓力與工藝設(shè)定壓力保持一致，通過安裝循環(huán)冷卻水管網(wǎng)末端的壓力傳感器檢測(cè)測(cè)量，通過壓力變送器將壓力信號(hào)變成4～20 mA的儀表信號(hào)，送入西門子S7-200 模擬量模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，得到管道壓力的數(shù)字量信號(hào)，與通過上位機(jī)輸入的壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，由CPU 進(jìn)行比例積分微分PID 運(yùn)算，得出控制值并通過Profibus 通信發(fā)送給變頻器，由變頻器控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整水泵的輸出壓力，保證循環(huán)冷卻水管道壓力穩(wěn)定；當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備的用水流量加大，超過單臺(tái)泵的供水量，通過PLC控制水泵的投入。根據(jù)流量及壓力的大小，由PLC控制工作水泵的投入切除和變頻器對(duì)水泵電機(jī)的額定頻率控制，保證管道壓力穩(wěn)定。當(dāng)生產(chǎn)用水負(fù)載變化時(shí)，變頻器的輸出也跟著變化進(jìn)而自動(dòng)調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成了以設(shè)定壓力恒定為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

水泵電機(jī)切換程序，主要是控制泵站中各臺(tái)水泵電機(jī)的運(yùn)行方式，按照一定的規(guī)律改變水泵的循環(huán)工作，工作泵與變頻泵相互轉(zhuǎn)換，避免同一個(gè)水泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，而另一個(gè)水泵長(zhǎng)時(shí)間閑置，保證循環(huán)水泵站中各個(gè)水泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，避免產(chǎn)生備用泵因長(zhǎng)期閑置發(fā)生銹蝕不能運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此外，在上位機(jī)中，通過Win CC的編程，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間，便于設(shè)備的維護(hù)工作。

圖2 電機(jī)切換原理

3 變頻器參數(shù)設(shè)定要點(diǎn)

（1）設(shè)定變頻器的啟動(dòng)、停止采用外部端子信號(hào)；

（2）設(shè)定變頻器的給定為模擬量輸入；

（3）設(shè)定4～20 mA 對(duì)應(yīng)變頻器的0～50 Hz；

（4）定義變頻器的繼電器輸出，即變頻器輸出頻率達(dá)到50Hz 時(shí)，或頻率下降到10Hz 時(shí)，給PLC 發(fā)送信號(hào)；

（5）設(shè)定變頻器的加減速時(shí)間。

4 結(jié)束語

在廣西南南鋁加工有限公司循環(huán)水泵站，采用基于可編程控制的變頻調(diào)速恒壓控制方式，給鋁加工生產(chǎn)工藝過程中的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性提供了強(qiáng)有力的保障。實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，生產(chǎn)用水系統(tǒng)運(yùn)行壓力穩(wěn)定、調(diào)節(jié)速度快、控制精度高，為企業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造良好的效益。

[1]常斗南.電氣控制與PLC 應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司.三菱FXON 型可編程控制器操作手冊(cè)[K].上海:三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司,2001.

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