摘 要：文章主要對恒壓供水的構(gòu)成基礎(chǔ)和基本原理進(jìn)行介紹，講述PLC控制下的單臺(tái)變頻器對多臺(tái)電機(jī)的恒壓供水自平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。以PLC為基礎(chǔ)的恒壓供水控制系統(tǒng)緊密結(jié)合整體生產(chǎn)工藝要求，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高了控制功能和系統(tǒng)的可靠性，在恒壓供水系統(tǒng)中起著重要的作用。

關(guān)鍵詞：PLC；控制；變頻器；恒壓供水

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）27-0045-02

1 PLC控制的變頻器概述

鋁合金豎井鑄造工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)中，以PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水有其如下要求：①生產(chǎn)工藝要求供水量在短時(shí)間內(nèi)快速變化，變化量在幾倍以上；②對供水壓力的要求嚴(yán)格，供水的壓力隨供水流量的變化而按照一定工藝曲線變化；③供水系統(tǒng)的水流量和壓力受到不同鋁合金牌號(hào)及鑄造生產(chǎn)工藝的控制，全部循環(huán)冷卻水均由變頻器控制的電機(jī)（水泵）來提供。因此，以PLC變頻器為基礎(chǔ)構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度保證生產(chǎn)工藝的要求也提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，節(jié)約能源。

2 變頻器恒壓供水系統(tǒng)的原理及工況分析

2.1 變頻調(diào)速的基本原理

鋁合金豎井鑄造中循環(huán)水泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)是通過改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)定子電源頻率來改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使其拖動(dòng)的水泵出口流量與揚(yáng)程適應(yīng)生產(chǎn)工藝參數(shù)的要求。三相交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與供電電源頻率f有如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

n=■（1-S）

式中：p為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)；s為定子和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率。

因此在電機(jī)固定，極對數(shù)不變的情況下，只改變定子供電電源的頻率，就能使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之變動(dòng)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，就是依據(jù)電壓頻率比（V/f）曲線，通過變頻器來改變電機(jī)定子供電電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n來改變水泵的轉(zhuǎn)速。水泵運(yùn)行工況曲線圖如圖1所示。

如圖1所示，n（n1，n2，nx）為水泵工作特性曲線，A（A1，A2，AX）為鋁合金供水系統(tǒng)中管道特性曲線，H0為管網(wǎng)末端的工作壓力。當(dāng)豎井鑄造系統(tǒng)用水量在Qmax到Q1之間變化時(shí)，采用不同的工藝控制方案，其水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和能耗也不相同。

2.2 循環(huán)水泵工作點(diǎn)的確定

循環(huán)水泵的工作性能曲線和供水系統(tǒng)管道性能曲線畫在同一坐標(biāo)系中，如圖2所示。兩條性能曲線相交點(diǎn)A為循環(huán)水泵的工作點(diǎn)?，F(xiàn)在將循環(huán)水泵的機(jī)械效率曲線η-Q也補(bǔ)充到這個(gè)坐標(biāo)系中，可以得到水泵工作點(diǎn)A對應(yīng)的揚(yáng)程HA、流量QA以及效率？耷A。從圖中可以看出，當(dāng)循環(huán)水泵或管道性能中的任何一個(gè)或者兩個(gè)參數(shù)同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，平衡點(diǎn)被打破，并且將在新的條件下形成新的系統(tǒng)平衡。

3 鋁合金井鑄造系統(tǒng)中變頻恒壓供水整體設(shè)計(jì)方案

3.1 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成

由三臺(tái)主供水水泵（1#、2#、3#）和一臺(tái)備用供水水泵（4泵）、一臺(tái)提供數(shù)據(jù)通訊接口的變頻器，一臺(tái)PLC、一個(gè)遠(yuǎn)傳壓力傳感變送器及若干機(jī)械電氣輔助部件構(gòu)成。主要功能如下：

①水泵提供符合生產(chǎn)工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的供水功能。

②管道上的壓力傳感變送器將管道水壓力轉(zhuǎn)換成4～

20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

③變頻調(diào)速器通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)整管道中水流量。

④PLC用于水泵之間控制邏輯變換、控制及水壓的調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和傳送等。

⑤輔助機(jī)械、電氣回路用于自動(dòng)控制故障情況下的手動(dòng)操作，杜絕由于突然斷水引發(fā)的鑄井爆炸事故。

3.2 恒壓供水系統(tǒng)原理

豎井鑄造恒壓供水系統(tǒng)中壓力傳感變送器將供水管道壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)再經(jīng)PLC的機(jī)架上的PID模塊運(yùn)算傳輸送給變頻器和上位工業(yè)控制服務(wù)器，并在上位服務(wù)器（SCADA-高密度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）的監(jiān)控下由PLC給出控制信號(hào)直接調(diào)整循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使管道的壓力穩(wěn)定，由此構(gòu)成PID控制的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。

鑄造準(zhǔn)備階段由于供水量較低，變頻器控制一臺(tái)水泵運(yùn)行即可滿足要求；當(dāng)豎井鑄造生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)入生產(chǎn)準(zhǔn)備末段時(shí)，用水量增大到變頻器全速運(yùn)行無法保證管道的壓力時(shí)，依據(jù)工藝技術(shù)參數(shù)及PLC程序設(shè)定的“切換頻率”，PLC自動(dòng)將工作在變頻狀態(tài)下的水泵電機(jī)切換轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)將另一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻器起動(dòng)，然后并入供水系統(tǒng)，保證管道壓力穩(wěn)定。若兩臺(tái)供水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)仍無法滿足生產(chǎn)工藝要求，則重復(fù)上一過程將另一臺(tái)水泵投入變頻運(yùn)行。

當(dāng)用水量減少時(shí)，控制系統(tǒng)逆向執(zhí)行上述水泵“并入”過程，以保證整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)供水管道壓力始終按照工藝曲線的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。

4 恒壓供水系統(tǒng)硬件選擇

4.1 變頻器

基于對變頻器的型式、容量、箱體結(jié)構(gòu)并在保證可靠地滿足工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件下，選用西門子MICROMASTER430型通用變頻器。

4.2 可編程序控制器（PLC）

依據(jù)鑄造生產(chǎn)系統(tǒng)要求和工藝控制功能，選用西門子S7-200系列的CPU224型。S7-200是模塊化小型PLC，性能能夠滿足應(yīng)用要求，I/O點(diǎn)數(shù)為14/10，具有較多可選擇的擴(kuò)展功能模塊，系統(tǒng)具備較強(qiáng)冗余性能，編程采用STEP7-Micro/win，提供良好的編環(huán)境和在線調(diào)試功能。

4.3 水泵及其電動(dòng)機(jī)的選擇

根據(jù)產(chǎn)品工藝標(biāo)準(zhǔn)對循環(huán)水量的變化曲線和水泵機(jī)組的效率、功率因素等外部條件來確定。選擇原則：揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水需要；全部水泵流量總和大于生產(chǎn)需要流量；水泵揚(yáng)程應(yīng)在特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)；選用型號(hào)相同的水泵。在本案中三臺(tái)主泵、主泵電機(jī)型號(hào)、容量及輔助水泵的選型均要求相同，有利于在同一變頻器控制下正常工作。

4.4 壓力傳感變送器的選擇

為保證控制系統(tǒng)的抗干擾性和提高可靠性采用了4～20 mA輸出的壓力傳感變送器。壓力傳感器變送器是將供水管道的壓力信號(hào)變成4～20 mA的模擬量信號(hào)，作為西門子PLC模擬量輸入模塊的輸入。

5 電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路圖如圖3所示。

圖中，M1-4為四臺(tái)供水水泵電機(jī)，KM1-8為控制四臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的主接觸器，F(xiàn)R1-4為電動(dòng)機(jī)M-4的過載保護(hù)繼電器，QF1-6為普通小型斷路器。QS-3為自動(dòng)和手動(dòng)切換開關(guān)，F(xiàn)U1-3為電氣線路保護(hù)用熔斷器。

5.2 PLC的I/O分配表

本案例共占用PLC的3個(gè)輸入點(diǎn)，8個(gè)輸出點(diǎn)，PLC的具體I/O分配見表1。

5.3 循環(huán)水池低水位報(bào)警電路

當(dāng)循環(huán)水池液位偏低時(shí)，應(yīng)立即自動(dòng)打開“自來水供水閥門”補(bǔ)充池內(nèi)水位，否則在水泵處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)較長時(shí)間，會(huì)損壞泵體。當(dāng)水池液位低于浮球開關(guān)的安裝位置時(shí)KA2失電，利用其常開觸點(diǎn)切斷控制電路和常閉觸點(diǎn)進(jìn)行聲光報(bào)警和動(dòng)作補(bǔ)水閥。

6 控制軟件程序梯形圖設(shè)計(jì)

本案控制的程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于程序的合理性、安全性、可靠性問題。根據(jù)SCADA（高密度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）對整體控制要求及豎井鑄造系統(tǒng)整體功能圖和總體自動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的要求集中設(shè)計(jì)和編寫對應(yīng)程序，這里不再詳述。本案設(shè)計(jì)出的PLC控制程序應(yīng)包括如下基本程序塊：

①清零程序。

②電機(jī)切換程序。

③主程序執(zhí)行前的采樣初始化程序。

④PID運(yùn)算的中斷程序等。

7 結(jié) 語

PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)依據(jù)豎井生產(chǎn)工藝曲線穩(wěn)定變化，始終保持管道壓力，在準(zhǔn)備鑄造和結(jié)束鑄造時(shí)段用水量較少的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到運(yùn)行方式，以節(jié)能降耗。同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)中考慮變頻/工頻在切換時(shí)的瞬間供水壓力和電機(jī)電流的沖擊，每臺(tái)水泵均采用軟起動(dòng)來解決該問題。主要具有如下特點(diǎn)：

①水泵電動(dòng)機(jī)在鑄井生產(chǎn)全過程中均采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，使供水系統(tǒng)管道中的壓力依據(jù)設(shè)定曲線變化，力求達(dá)到節(jié)能、節(jié)水，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓供水。

②減少運(yùn)行水泵數(shù)量時(shí)采用“先啟先?！钡那袚Q方式，平攤各水泵的運(yùn)行時(shí)間，延長設(shè)備的使用壽命。

③在變頻器故障后仍能使用手動(dòng)運(yùn)行方式保障不間斷供水，保證鋁合金豎井在生產(chǎn)過程中達(dá)到熔融金屬鑄造安全生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)的要求，避免液態(tài)金屬爆炸事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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