王朝陽 周志峰

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620)

隨著工藝過程的不斷進(jìn)步，脫鹽水的及時(shí)供給變得越來越重要，其中脫鹽水泵是脫鹽水系統(tǒng)的“心臟”。某企業(yè)的原脫鹽水泵是4臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，而且都需要人工調(diào)節(jié)管道閥門，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，而且脫鹽水泵房的內(nèi)部環(huán)境也對(duì)工藝值班人員的人身安全構(gòu)成潛在威脅。

為此，筆者采用PLC和變頻器來改造某熱電水系統(tǒng)脫鹽水泵的自控系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的脫鹽水泵電機(jī)電流信號(hào)，采用PLC驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)管道閥門的自動(dòng)調(diào)整，以期滿足鍋爐用水需求，合理分配水泵電機(jī)負(fù)荷，避免電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。

1 脫鹽水工藝簡(jiǎn)介①

某企業(yè)的原熱電脫鹽水系統(tǒng)由4臺(tái)獨(dú)立的脫鹽水泵組成。系統(tǒng)由一個(gè)總管進(jìn)水，經(jīng)脫鹽水泵抽水以后，從一個(gè)管道流出，運(yùn)行時(shí)4臺(tái)獨(dú)立的脫鹽水泵分別向上級(jí)供水。原脫鹽水泵的供水工藝流程如圖1所示。

圖1 原脫鹽水泵供水工藝流程簡(jiǎn)圖

4臺(tái)水泵的管道閥門都需要值班人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)開、合操作，自動(dòng)化程度較低。當(dāng)鍋爐需水量發(fā)生變化時(shí)，需要工藝人員通過調(diào)節(jié)閥門去調(diào)整供水量。在供水量變化頻繁時(shí)，就要進(jìn)行頻繁的人工操作，這種自動(dòng)化程度很低的人工操作必然導(dǎo)致供水落后于實(shí)際生產(chǎn)需求的結(jié)果。在緊急情況以及值班人員遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候，這種系統(tǒng)存在極大的安全隱患，并且，由于工藝和電氣人員的分離，人工操作無法實(shí)現(xiàn)四臺(tái)水泵電機(jī)負(fù)荷的合理分配，常常導(dǎo)致有些電機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行，而有些卻是過負(fù)荷運(yùn)行，這對(duì)電機(jī)的使用壽命造成了很大影響。同時(shí)，化工生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也不利于人們頻繁活動(dòng)于其中。

2 改造方案

基于PLC分散式控制結(jié)構(gòu)和變頻器改造后的熱電水系統(tǒng)中脫鹽水泵自控系統(tǒng)(圖2)。構(gòu)成：1臺(tái)PC機(jī)，安裝S7-200編程軟件Step7[1]。4臺(tái)PLC 266CPU，分別單獨(dú)控制4臺(tái)變頻器。266CPU的運(yùn)行速度快、模塊擴(kuò)展能力強(qiáng)，而且具有較多的輸入/輸出點(diǎn)，完全滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求[2,3]。4臺(tái)變頻器分別對(duì)管道閥門電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，變頻器選用MM420系列，輸入380/480V、0～650Hz，由0.12～11.00kW的小功率電機(jī)控制。4個(gè)帶模擬量輸出的電流互感器。將脫鹽水泵電機(jī)電流的模擬量作為給定值送入PLC，經(jīng)PLC PID調(diào)節(jié)后輸出給變頻器，變頻器根據(jù)脫鹽水泵電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際電流自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率來控制管道閥門電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。4臺(tái)閥門電機(jī)。將原手動(dòng)閥門改為電動(dòng)閥門，閥門電機(jī)額定電壓380V、額定電流1.8A、額定功率0.37kW、額定頻率50Hz、額定轉(zhuǎn)速1 400r/min。以S7-200 PLC作為主站，通過USS協(xié)議將從站變頻器等連接起來，形成控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制功能[5]。

圖2 基于PLC和變頻器的脫鹽水泵自控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中，4臺(tái)變頻器分別控制4臺(tái)脫鹽水管道閥門電機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)的自動(dòng)控制，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)流量的目的，使得脫鹽水泵電機(jī)始終在允許的負(fù)荷內(nèi)工作。同時(shí)，4臺(tái)PLC之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)互通，可根據(jù)各自采集到的脫鹽水泵電機(jī)電流來協(xié)同控制4臺(tái)管道閥門電機(jī)的啟停和相應(yīng)閥門的開度，滿足了工藝用水的要求并實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)電機(jī)負(fù)荷的合理分配。

由于電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生幾倍額定電流的沖擊電流，而且電機(jī)在運(yùn)行過程中可能會(huì)產(chǎn)生各種形式的過電流，從而引起變頻器跳保護(hù)或損壞。因此，筆者選用了品質(zhì)優(yōu)良且性能穩(wěn)定的MM420型變頻器。

改造后自控系統(tǒng)可根據(jù)鍋爐需水量自動(dòng)調(diào)節(jié)脫鹽水管道閥門的開度，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的脫鹽水泵電機(jī)電流，通過PLC驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)節(jié)管道閥門電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道閥門的進(jìn)一步自動(dòng)調(diào)整，達(dá)到脫鹽水泵電機(jī)負(fù)荷的合理分配。當(dāng)水泵電機(jī)電流超過或遠(yuǎn)低于額定值時(shí)，閥門電機(jī)會(huì)根據(jù)采集到的電流信號(hào)自動(dòng)調(diào)整閥門開度，保證脫鹽水泵電機(jī)始終運(yùn)行在正常狀態(tài)。

3 控制程序

改造后的管道閥門電機(jī)的調(diào)速流程如圖3所示。系統(tǒng)中的每一臺(tái)脫鹽水管道閥門電機(jī)都由一臺(tái)變頻器控制。每臺(tái)PLC根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的電機(jī)電流信號(hào)與電機(jī)的額定電流進(jìn)行比較并輸出相應(yīng)的模擬控制信號(hào)，以此模擬信號(hào)作為變頻器控制端的輸入來調(diào)節(jié)閥門電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)閥門開度的目的。當(dāng)有些水泵電機(jī)過負(fù)荷，但同時(shí)有部分電機(jī)還處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于4臺(tái)PLC之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)互通，各PLC可以根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)電流信號(hào)進(jìn)行綜合比較分析來調(diào)節(jié)相應(yīng)管道閥門的開度，從而達(dá)到合理分配電機(jī)負(fù)荷的目的。控制程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)先判斷各變頻器是否滿足啟動(dòng)條件，之后再判斷變頻器是否發(fā)生故障，變頻器會(huì)向PLC反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)的信號(hào)，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，向PLC和上位機(jī)PC發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使得故障得以及時(shí)處理。變頻器無故障后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信號(hào)判斷各變頻器是否具有調(diào)速要求，如果有則根據(jù)設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)速；如沒有則PLC繼續(xù)進(jìn)行下一周期的掃描。

圖3 管道閥門電機(jī)的調(diào)速流程

4 結(jié)束語

系統(tǒng)改造成功并投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，有效解決了原系統(tǒng)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和電機(jī)負(fù)荷分配不均的問題。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用這種4臺(tái)PLC聯(lián)動(dòng)控制閥門開關(guān)的供水系統(tǒng)，與原系統(tǒng)相比的優(yōu)勢(shì)：由于實(shí)際供水量要根據(jù)工藝用水狀況頻繁調(diào)整，所以在生產(chǎn)過程中要不停地調(diào)整閥門的開合度，在PLC和變頻器的聯(lián)合控制下，不僅保證了脫鹽水系統(tǒng)一直滿足鍋爐用水的要求，而且還具有實(shí)時(shí)分配4臺(tái)電機(jī)負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)；再未出現(xiàn)一些電機(jī)過負(fù)荷，而另外一些電機(jī)低負(fù)荷的運(yùn)行狀況，極大地提高了系統(tǒng)的整體性能；系統(tǒng)采用了PLC和變頻器相結(jié)合的控制方式，因而閥門電機(jī)大多運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以下，節(jié)能減耗效果明顯；由于電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，也極大地延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，不僅節(jié)省了大量的人力，還杜絕了值班人員在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)的安全隱患。

[1] 王萬強(qiáng).工業(yè)自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)訓(xùn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2] 方大千,朱麗寧.變頻器、軟啟動(dòng)器及PLC實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[3] 李鴻儒,于霞,孟曉芳,等.西門子系統(tǒng)變頻器及其工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[4] 劉美.化工儀表及自動(dòng)化[M].北京:中國(guó)石化出版社,2014.

[5] 邱公偉.可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000:321～335.