PLC變頻器及上位機的通信在污泥泵控制的應用

許乃炎

1 概述

水是人類生活和國民經濟發展不可或缺的重要部分，隨著社會科技水平的飛速發展和城市生活水平的巨大提高，污水排放量日益增多。污水的處理能力大小及排放質量好壞已影響到一個城市的發展，所以對建設于1998年的龍珠水質凈化廠來說，污水設備更新換代和擴大規模已是刻不容緩。汕頭聯泰水質凈化有限公司于2005年10月對龍珠水質凈化廠實施一期技改二期擴建工程。工程于2008年10月完工并投入運行，污水處理能力已達到預期目標，排放質量也達到國家標準。在這個過程中，二期綜合泵房回流污泥泵我們采用 PLC與變頻器及上位機的通信，實現中控室控制，效果明顯。

2 變頻器節能原理

由水泵的工作原理可知，水泵的流量與電機的轉速成正比，水泵的揚程與電機的轉速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵的三次方成正比。根據上述原理可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。

流量基本公式：

其中，Q1、H1、P1—水泵在n1轉速時的流量、揚程、功率。

Q2、H2、P2—水泵在n2轉速時相似的工況條件下的流量、揚程、功率。

例如，n2比n1降低1/2，則P2/P1=1/8,可見，降低轉速大大降低軸功率可達到節能降耗的目的。

3 設備應用的可行性分析

該系統采用羅克韋爾PowerFlex 400交流變頻器對回流污泥泵流量大小進行控制，并配合22-COMM-E以太網模板導入工業以太網控制系統與PLC通信就能實現上位機遠程控制。這樣，控制系統是運用可編程序控制器、計算機網絡、光纖通信、上位機等先進技術對回流污泥泵進行自動控制。該系統具備實時信息自動采集、傳輸、處理入庫、動態監測監控、遠程數據傳輸等功能，實現污泥泵控制自動化，從而提高污水廠設備的運行管理水平。

3.1 通信網絡

通信網絡采用光纖連接工業以太網，如圖1：

圖1 二期工程環網光纖接線圖

在圖1中，變頻器（20）、變頻器（21）是我所要表述的設備，22-COMM-E以太網模板排線與變頻器CPU控制板通信插口連接，再通過網絡線與工業以太網交換機通信接口進行連接，交換機通信接口通過網絡線與再與PLC以太網通訊模板進行連接通信。

3.2 上位機

上位機主要由硬件和軟件構成，硬件為2臺工業控制計算機及 1臺打印機組成。軟件包括操作系統WindowsXP和Rsview32軟件開發的監控系統。監控畫面如圖2所示。

圖2 上位機監控系統圖

4 設備控制工作原理

以四臺回流污泥泵組構成二期綜合泵房回流污泥循環控制系統，管網來自兩個二沉池虹吸起來的污泥流入的綜合泵房泵坑，少部分污泥通過剩余污泥泵泵入濃縮池由脫水離心機處理，大部分通過回流污泥泵泵入生化池重新處理，處理完后變成清水流入二沉池，清水中夾雜著污泥，污泥再次在二沉池池底沉積，再通過虹吸管道系統吸起來后進入集泥井流入管網來到泵房泵坑。這樣，就可以根據污泥濃度在中控室上位機對四臺回流污泥泵流量進行控制，從而滿足污水處理工藝要求。

4.1 接線圖

接線圖如圖3所示。

4.2 變頻器內部參數設置

（1）、基本編程參數如表1所示（未描述的參數采用缺省值）。

（2）、高級編程參數如表2所示。

（3）、端子組參數如表3所示。

（4）、變頻器I/O控制電路圖，如圖4所示。

5 變頻器I/O分配控制分析及其控制模式

5.1 就地/遠程啟停

當SH位于就地位置時，通過端子02，11實現現場手動啟停。當SH位于遠程位置時，通過端子08，11實現遠程通訊啟停。

圖3 變頻器I/O模板連接圖

表1 基本編程參數

表2 高級編程參數

表3 端子組參數

圖4 變頻器I/O接線圖

5.2 故障保護和復位

當潛水泵內部進水或定子線圈溫度高無法啟動時，通過端子05，11斷開實現故障保護。當變頻器發生故障時，可以通過端子07，11實現故障復位。

5.3 頻率輸出

通過端子15，18輸出頻率，0V～10V，轉換成轉速顯示。

5.4 現場手動調速

通過端子12，13，14連接旋轉電位器，實現手動調速。

5.5 狀態輸出

端子R1，R2輸出故障狀態；端子R4，R5輸出運行狀態。

5.6 就地狀態監視

通過端子15，18輸出到轉速表可以監視電動機轉速；

通過端子R1，R2輸出故障狀態到指示燈顯示；

通過端子R4，R5輸出運行狀態到指示燈顯示。

5.7 就地控制輸入

通過轉換開關SH置于就地模式實現就地控制；

當置于就地模式時，通過KA1閉合輸入到端子02，11實現就地起動；

通過旋轉電位器輸入到端子 12，13，14給定頻率；通過潛水泵故障繼電器K4常閉觸點輸入到端子05，11實現故障保護；通過SA輸入到端子07，11實現故障復位。

5.8 PLC實現控制

當轉換開關SH置于遠程模式時，由遠程上位機通過。

6 ABPLC添加變頻器硬件配置與標簽說明

6.1 PLC硬件配置

在 RSLogix 5000的硬件配置中，添加變頻器PowerFlex 400-E，如圖5所示。

圖5 添加變頻器硬件配置圖

在Port Configuration選項卡中進行設置，此時，硬件設置完成。

6.2 輸入標簽說明

硬件配置完成后，點擊Controller Tags，在標簽列表中，出現變頻器標簽，因為我們在硬件配置中給變頻器取名為PF1，所以下列用于監視變頻器狀態的輸入標簽如表4所示。

這里詳細說明一下以上輸入標簽的含義：

PF1:I.XXXX 說明：PF1（變頻器名）；I（輸入）；XXXX（標簽名）

PF1:I.Ready 就緒狀態

PF1:I.Active 運行狀態

PF1:I.CommandDir 命令方向(0為反轉1為正轉)

PF1:I.ActualDir 實際方向(0為反轉 1為正轉)

PF1:I.Accelerating 加速狀態

PF1:I.Decelerating 減速狀態

PF1:I.Alarm 報警，變頻器次要故障

PF1:I.Faulted 故障，變頻器主要故障PF1:I.OutputFreq 反饋頻率0Hz ～50Hz

表4 輸入標簽

6.3 輸出標簽說明

表5是變頻器輸出標簽，用于控制變頻器運行。

表5 輸出標簽

這里詳細說明一下以上輸出標簽的含義：

PF1:I.XXXX 說明：PF1（變頻器名）；O（輸出）；XXXX（標簽名）

PF1:O.Stop 停止命令

PF1:O.Start 啟動命令

PF1:O.Jog 點動命令

PF1:O.ClearFaults 清除故障

PF1:O.LocalControl 就地控制

PF1:O.FreqCommand 頻率對應0Hz ～50Hz

7 上位機軟件編程設計

在 PLC控制的變頻器編程過程中，我們對上位機界面增加回流污泥泵控制窗口的設計和編程工作。主要使用組態軟件完成。美國羅克韋爾 AB公司為Logix5000系列PLC定制了自己的上位機組態軟件：RSVIEW32。利用RSVIEW32可以很方便的完成監控畫面的繪制、上位機組態等工作，通過對參數修改的權限設定，對污泥處理工藝的安全性得到有效的保證。這里對使用 RSVIEW32組態軟件的組態方法不作詳細的闡述，圖6為回流污泥泵監控畫面。

圖6 回流污泥泵上位機監控界面

8 PLC、變頻器、上位機三者通信

PC配置IP地址。用網絡線將PC通信接口與任意一臺工業交換機通信接口接上，在PC桌面上打開本地連接，選擇本地連接屬性的TCP/IP，進行PC的IP地址配置，輸入各站IP地址。打開羅克韋爾通信軟件 RSLing，選擇以太網控制器，輸入各 PLC、變頻器、上位機的IP地址，出現IP地址與各站相對應通信模塊型號通信已連接，如圖7所示。

圖7 各站點與PLC通信圖

打開RSLogix 5000軟件，確認PLC路徑正確，進行聯機。聯機后就可以對 PLC程序進行寫出、讀入、修改及監控。上位機通信也是建立在RSLing平臺上，根據自控工程師權限解除密碼后，進入圖面對應設置軟元件標簽，確認標簽與圖面形狀內容是否正確，并進行測試，確定正常無誤后，用鍵盤輸入各種控制參數，用鼠標作為設備各種控制模式操作軟按鈕，進一步確認與現場設備控制是否正確，發現問題及時修正。在PLC、變頻器、上位機三者完美結合的通信中，PLC起到了承上啟下、左右貫通的作用。

9 結束語

二期綜合泵房回流污泥泵的 PLC與變頻器及上位機的通信在污泥泵遠程控制系統的成功應用，改善了工藝；維護量減少；工作強度降低；減少了對電網的沖擊；節能與自控效果良好。大大改善了污水處理生產條件、凈水排放及現場環境，完全達到了生產工藝要求，這對于提高污水廠技術經濟指標、提高自動化、提高效益、節約電能、技術創新，都具有較高的經濟價值，值得其它污水廠借鑒推廣。

[1] 粱耀光, 余文杰. 現代電工新技術教程[M].廣東: 2008年.

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[6] 羅克韋爾PowerFlex 400變頻器用戶手冊.

[7] 羅克韋爾22-COMM-E以太網模板用戶手冊.