陳長(zhǎng)生

摘 要：本文主要介紹了采用西門子300PLC控制器作為主要控制單元，利用DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建立同英威騰IPE200變頻器的網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器啟停控制及電流、電壓、轉(zhuǎn)速、頻率等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，通過上位機(jī)WINCC畫面的恒壓設(shè)定操作及對(duì)系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而完成泉州閩光鋼鐵有限責(zé)任公司動(dòng)力廠二級(jí)泵房變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC；DP；變頻器；恒壓

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）11-0108-02

0 引言

泉州閩光鋼鐵有限責(zé)任公司動(dòng)力廠二級(jí)泵房是為整個(gè)公司提供生產(chǎn)和設(shè)備用水所需，因此供水壓力是否穩(wěn)定和設(shè)備能否正常運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)公司的生產(chǎn)。而二級(jí)泵房現(xiàn)有的設(shè)備控制模式為機(jī)旁手動(dòng)控制水泵的啟停且為工頻不可調(diào)整，水泵出水壓力和流量大小的控制只能通過出口管上的手動(dòng)蝶閥調(diào)整，這種控制模式不但不利于生產(chǎn)的運(yùn)行而且增加了能耗成本。為此設(shè)計(jì)了一套既能滿足生產(chǎn)工藝要求又能節(jié)能降耗的恒壓供水系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 電機(jī)設(shè)備參數(shù)

二級(jí)泵房有水泵電機(jī)四臺(tái)，其中220KW電機(jī)兩臺(tái)一用一備，編號(hào)為3#水泵電機(jī)和4#水泵電機(jī)；280KW電機(jī)兩臺(tái)也是一用一備編號(hào)為1#水泵電機(jī)和2#水泵電機(jī)，電氣上原采用軟啟動(dòng)器控制。

3#和4#水泵電機(jī)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速：1490r/m，額定頻率：50HZ，額定電壓：380V，額定電流：395A，額定功率：220KW，功率因素：0.87。

1#和2#水泵電機(jī)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速：1490r/m，額定頻率：50HZ，額定電壓：380V，額定電流：493A，額定功率：280KW，功率因素：0.9。

1.2 設(shè)計(jì)方案

（1）新增兩面變頻控制柜用于改造2#水泵電機(jī)（280KW）和3#水泵電機(jī)（220KW），同時(shí)新增兩面變頻操作箱用于機(jī)旁變頻調(diào)速控制，4#水泵電機(jī)（220KW）和1#水泵電機(jī)（280KW）則保留原有的軟啟動(dòng)器控制，但電氣控制回路增加遠(yuǎn)程PLC控制，變頻器設(shè)備選用英威騰IPE200；（2）新增五臺(tái)智能式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其中四臺(tái)為水泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用于更換出口管手動(dòng)蝶閥，另一臺(tái)為水池補(bǔ)水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，五臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥具備遠(yuǎn)程和就地控制功能；（3）新增一套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用西門子S7-300PLC系列，采用STEP-7 V5.5系統(tǒng)編程軟件，用于信號(hào)的采集處理和PID壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出；（4）新增一套上位機(jī)系統(tǒng)，監(jiān)控畫面使用西門子WINCC 6.2軟件開發(fā)，便于工藝人員的對(duì)設(shè)備監(jiān)控和操作；（5）PLC與變頻器之間采用DP網(wǎng)絡(luò)通訊以保證控制的及時(shí)性和準(zhǔn)確性[1]。

2 PLC編程及控制

2.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

由于PLC同英威騰IPE200變頻器采用PROFIBUS通訊網(wǎng)絡(luò)控制，因此在硬件組態(tài)中應(yīng)先安裝英威騰IPE200變頻器的GSD文件（INVTV1.1DP.GSD），安裝好后會(huì)在目錄表中生成INVT文件夾，文件夾下含有INVT-6SE70從站。接著建立PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，選中PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)插入英威騰IPE200變頻器從站，接著在從站下插入通訊所需要的用戶數(shù)據(jù)這里為PPO4類型，即6個(gè)控制字[2]。硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

2.2 設(shè)計(jì)功能

根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)滿足要求的控制邏輯：（1）采用FB41連續(xù)控制功能塊的PI調(diào)節(jié)功能。由于出口壓力變送器的安裝距離水泵出口較近，因此水泵轉(zhuǎn)速的變化能夠在較短時(shí)間內(nèi)引起壓力檢測(cè)點(diǎn)的變化，所以采用PI控制功能即比例和積分控制功能就能夠滿足工藝控制要求。（2）設(shè)計(jì)獨(dú)立的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制功能。畫面增加手/自動(dòng)切換按鈕，其變量接入FB41連續(xù)控制功能塊的MAN_ON參數(shù)。切換為手動(dòng)控制時(shí)，通過在畫面實(shí)時(shí)輸入頻率值從而達(dá)到改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的；切換為自動(dòng)控制時(shí)，只需要設(shè)定水泵出口壓力就行，其中設(shè)定值來自畫面的水泵出口壓力設(shè)定，反饋值來自現(xiàn)場(chǎng)水泵出口的壓力變送器檢測(cè)值。（3）具有手/自動(dòng)無擾切換功能。當(dāng)采取手動(dòng)控制模式時(shí)，程序通過實(shí)時(shí)采集出口壓力值，并把實(shí)時(shí)壓力值傳送給PID功能塊中的SP_INT（恒壓設(shè)定值）；當(dāng)采取自動(dòng)控制模式時(shí)，程序通過采集PID實(shí)時(shí)輸出的數(shù)值，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值，傳送給PID功能塊中的MAN給定值。通過增加這部分的控制邏輯后，保證了設(shè)備在手動(dòng)與自動(dòng)之間的無擾動(dòng)切換。（4）具有通訊故障報(bào)警功能。一旦通訊中斷，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警提醒操作人員把自動(dòng)模式切換成電氣手動(dòng)控制模式，盡可能的保證公司生產(chǎn)用水不受影響。（5）設(shè)計(jì)有輸出調(diào)節(jié)限幅功能。設(shè)置控制輸出的上下限：上限不超過50HZ，是為了控制調(diào)節(jié)輸出不超過設(shè)備的額定頻率50HZ；下限不低于25HZ，因?yàn)檎{(diào)節(jié)頻率過低會(huì)導(dǎo)致水泵無法出力，電機(jī)空轉(zhuǎn)，影響公司生產(chǎn)用水的供應(yīng)。

2.3 連續(xù)控制功能塊FB41調(diào)試

（1）選擇合適的采樣周期時(shí)間。采樣周期時(shí)間即PID中的CYCLE越小，采樣值也就越能反映模擬量反饋值的變化情況，但是值太小不但會(huì)增加CUP運(yùn)算的工作量，同時(shí)瞬時(shí)擾動(dòng)的模擬量數(shù)值也會(huì)被采集到并參與到PID運(yùn)算調(diào)節(jié)中，導(dǎo)致調(diào)節(jié)輸出的不穩(wěn)定，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試設(shè)定采樣周期時(shí)間為2秒。

（2）合理的設(shè)置比例增益及積分時(shí)間參數(shù)。根據(jù)調(diào)節(jié)原理：如果比例增益太小，輸出量變化就緩慢，調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)；如果比例增益過大，系統(tǒng)容易超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；而積分作用主要是消除誤差，只要有誤差存在積分就會(huì)起作用，積分時(shí)間越小，積分作用越強(qiáng)，反之積分時(shí)間越大，則系統(tǒng)的滯后性也就越明顯?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，一般先把積分時(shí)間調(diào)大，慢慢嘗試調(diào)整比例增益在一個(gè)合理的數(shù)值，觀察系統(tǒng)能否穩(wěn)定，如果輸出能穩(wěn)定不會(huì)上下振蕩，則再一點(diǎn)點(diǎn)的縮小積分時(shí)間常數(shù)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定得到一個(gè)最佳的積分值，使系統(tǒng)具備穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。由于現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)參數(shù)不一樣因此2#水泵電機(jī)的比例增益設(shè)為0.008，積分設(shè)為8秒，3#水泵電機(jī)的比例增益設(shè)為0.01，積分設(shè)為6秒。

（3）設(shè)置有效的死區(qū)參數(shù)。為保證變頻器不頻繁動(dòng)作調(diào)節(jié)，在PID功能塊中設(shè)置了死區(qū)寬度，死區(qū)寬度均為0.025，即現(xiàn)場(chǎng)壓力值在正負(fù)偏差0.025的范圍內(nèi)，PID控制器認(rèn)為無偏差，保持原有的控制輸出。

PID程序如下：

CALL “CONT_C” ， “insdance_db10”

COM_RST ：=

MAN_ON ：=”2#變頻畫面選手動(dòng)”

PVPER_ON：=FALSE

P_SEL ：=TRUE

I_SEL ：=TRUE

INT_HOLD：=FALSE

I_ITL_ON：=FALSE

D_SEL ：=FALSE

CYCLE ：=T#2S

SP_INT ：=”HMI_SET”.DB_VAR4

PV_IN ：=”INPUT_AI”.DB_VAR4

PV_PER ：=

MAN ：=MD300

GAIN ：=8.000000e-003

TI ：=T#8S

TD ：=

TM_LAG ：=

DEADB_W ：=2.500000e-002

LMN_HLM ：=

LMN_LLM ：=

PV_FAC ：=

PV_OFF ：=

LMN_FAC ：=

LMN_OFF ：=

I_ITLVAL：=

DISV ：=

LMN ：=”HMI_SET”.DB_VAR17

LMN_PER ：=

QLMN_HLM：=

QLMN_LLM：=

LMN_P ：=

LMN_I ：=

LMN_D ：=

PV ：=

ER ：=

3 變頻器控制設(shè)置

3.1 變頻器控制設(shè)計(jì)

變頻器控制采用手動(dòng)和自動(dòng)兩套獨(dú)立的控制模式，相同的是變頻器手動(dòng)與自動(dòng)的運(yùn)行指令通道為端子指令通道，不同的是手動(dòng)控制的頻率給定為機(jī)旁操作箱的電位器給定，而自動(dòng)控制的頻率給定為profibus通訊設(shè)定；同時(shí)在電氣回路上變頻器設(shè)置有手/自動(dòng)選擇信號(hào)輸入、啟動(dòng)信號(hào)輸入、故障信號(hào)輸出、運(yùn)行信號(hào)輸出、運(yùn)行頻率輸出及電流輸出[3]。根據(jù)要求設(shè)計(jì)變頻器電氣控制圖，如下圖2所示。

3.2 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

P0.0=2（V/F控制）、P0.1=1（指令通道為端子）、P0.3=1（A頻率采用模擬量AI1設(shè)定）、P0.4=8（B頻率采用PROFIBUS通訊設(shè)定）、P2.0=0（異步電動(dòng)機(jī)）、P2.1=280（額定功率280KW）、P2.2=50（額定頻率50HZ）、P2.3=1490（額定轉(zhuǎn)速1490RPM）、P2.4=380（電機(jī)額定電壓380V）、P2.5 =493（電機(jī)額定電流493A）、P5.02=1（S1端子功能選擇正轉(zhuǎn)運(yùn)行）、P5.03=13（S2端子功能選擇A頻率設(shè)定與B頻率設(shè)定切換）、Pd.01=4（PROFIBUS通訊地址為4）、Pd.02=1（變頻器PZD2接收字為速度給定）、Pd.13=1（變頻器PZD2發(fā)送字為運(yùn)行頻率）、Pd.14=5（變頻器PZD3發(fā)送字為輸出電流）、Pd.15=2（變頻器PZD4發(fā)送字為輸出轉(zhuǎn)速）、Pd.16=3（變頻器PZD5發(fā)送字為母線電壓）、Pd.17=9（變頻器PZD6發(fā)送字為故障代碼）。

3.3 變頻器通訊數(shù)值的程序轉(zhuǎn)換

通過設(shè)置變頻器通訊參數(shù)，獲取變頻器的運(yùn)行頻率、輸出電流、輸出轉(zhuǎn)速、變頻器中間回路母線電壓、故障代碼等。頻率為通訊讀取的數(shù)值除以100即為輸出頻率實(shí)時(shí)值；通訊讀取的電流、母線電壓數(shù)值除以10即為所需要的實(shí)時(shí)電流值和母線電壓值；讀取的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速不需要轉(zhuǎn)換即為所需的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值。通訊頻率給定值的轉(zhuǎn)換為程序的頻率設(shè)定值乘以20即為變頻器頻率設(shè)定值（因?yàn)樽冾l器內(nèi)部0到1000對(duì)應(yīng)0到50HZ）。

4 結(jié)語

二級(jí)泵房變頻恒壓供水系統(tǒng)自投入使用以來，一方面保障了公司生產(chǎn)用水的連續(xù)性和穩(wěn)定性；另一方面降低了設(shè)備的故障率，減少了檢修維護(hù)人員的工作量，同時(shí)采用恒壓控制不但減輕了生產(chǎn)人員的工作強(qiáng)度，并且在節(jié)約生產(chǎn)用電方面起到了一定的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

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