淺談PLC控制的變頻器在鋁合金豎井鑄造生產恒壓供水系統的應用

摘 要：文章主要對恒壓供水的構成基礎和基本原理進行介紹，講述PLC控制下的單臺變頻器對多臺電機的恒壓供水自平衡系統的設計思想。以PLC為基礎的恒壓供水控制系統緊密結合整體生產工藝要求，保證系統安全運行，提高了控制功能和系統的可靠性，在恒壓供水系統中起著重要的作用。

關鍵詞：PLC；控制；變頻器；恒壓供水

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：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生產供水系統中，以PLC控制的變頻調速恒壓供水有其如下要求：①生產工藝要求供水量在短時間內快速變化，變化量在幾倍以上；②對供水壓力的要求嚴格，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供水系統的水流量和壓力受到不同鋁合金牌號及鑄造生產工藝的控制，全部循環冷卻水均由變頻器控制的電機（水泵）來提供。因此，以PLC變頻器為基礎構成的恒壓供水系統不僅能夠最大程度保證生產工藝的要求也提高整個系統的效率，節約能源。

2 變頻器恒壓供水系統的原理及工況分析

2.1 變頻調速的基本原理

鋁合金豎井鑄造中循環水泵應用變頻調速技術是通過改變三相異步電動機定子電源頻率來改變電動機運轉速度，使其拖動的水泵出口流量與揚程適應生產工藝參數的要求。三相交流電動機的轉速n與供電電源頻率f有如下數學關系：

n=■（1-S）

式中：p為電動機極對數；s為定子和轉子的轉差率。

因此在電機固定，極對數不變的情況下，只改變定子供電電源的頻率，就能使電動機的轉速隨之變動。在變頻調速恒壓供水系統中，就是依據電壓頻率比（V/f）曲線，通過變頻器來改變電機定子供電電源的頻率f來改變電機的轉速n來改變水泵的轉速。水泵運行工況曲線圖如圖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）為鋁合金供水系統中管道特性曲線，H0為管網末端的工作壓力。當豎井鑄造系統用水量在Qmax到Q1之間變化時，采用不同的工藝控制方案，其水泵的運轉速度和能耗也不相同。

2.2 循環水泵工作點的確定

循環水泵的工作性能曲線和供水系統管道性能曲線畫在同一坐標系中，如圖2所示。兩條性能曲線相交點A為循環水泵的工作點。現在將循環水泵的機械效率曲線η-Q也補充到這個坐標系中，可以得到水泵工作點A對應的揚程HA、流量QA以及效率？耷A。從圖中可以看出，當循環水泵或管道性能中的任何一個或者兩個參數同時發生變化時，平衡點被打破，并且將在新的條件下形成新的系統平衡。

3 鋁合金井鑄造系統中變頻恒壓供水整體設計方案

3.1 恒壓供水系統構成

由三臺主供水水泵（1#、2#、3#）和一臺備用供水水泵（4泵）、一臺提供數據通訊接口的變頻器，一臺PLC、一個遠傳壓力傳感變送器及若干機械電氣輔助部件構成。主要功能如下：

①水泵提供符合生產工藝參數標準的供水功能。

②管道上的壓力傳感變送器將管道水壓力轉換成4～

20 mA標準信號。

③變頻調速器通過調節水泵轉速來調整管道中水流量。

④PLC用于水泵之間控制邏輯變換、控制及水壓的調節參數的數據運算和傳送等。

⑤輔助機械、電氣回路用于自動控制故障情況下的手動操作，杜絕由于突然斷水引發的鑄井爆炸事故。

3.2 恒壓供水系統原理

豎井鑄造恒壓供水系統中壓力傳感變送器將供水管道壓力信號轉換成標準4～20 mA電流信號再經PLC的機架上的PID模塊運算傳輸送給變頻器和上位工業控制服務器，并在上位服務器（SCADA-高密度數據采集系統）的監控下由PLC給出控制信號直接調整循環水泵電動機的轉速使管道的壓力穩定，由此構成PID控制的壓力閉環控制系統。

鑄造準備階段由于供水量較低，變頻器控制一臺水泵運行即可滿足要求；當豎井鑄造生產逐步轉入生產準備末段時，用水量增大到變頻器全速運行無法保證管道的壓力時，依據工藝技術參數及PLC程序設定的“切換頻率”，PLC自動將工作在變頻狀態下的水泵電機切換轉到工頻運轉，同時將另一臺水泵進行變頻器起動，然后并入供水系統，保證管道壓力穩定。若兩臺供水泵全速運轉仍無法滿足生產工藝要求，則重復上一過程將另一臺水泵投入變頻運行。

當用水量減少時，控制系統逆向執行上述水泵“并入”過程，以保證整個生產系統供水管道壓力始終按照工藝曲線的標準運行。

4 恒壓供水系統硬件選擇

4.1 變頻器

基于對變頻器的型式、容量、箱體結構并在保證可靠地滿足工藝參數標準條件下，選用西門子MICROMASTER430型通用變頻器。

4.2 可編程序控制器（PLC）

依據鑄造生產系統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，性能能夠滿足應用要求，I/O點數為14/10，具有較多可選擇的擴展功能模塊，系統具備較強冗余性能，編程采用STEP7-Micro/win，提供良好的編環境和在線調試功能。

4.3 水泵及其電動機的選擇

根據產品工藝標準對循環水量的變化曲線和水泵機組的效率、功率因素等外部條件來確定。選擇原則：揚程應大于實際供水需要；全部水泵流量總和大于生產需要流量；水泵揚程應在特性曲線的高效工作區內；選用型號相同的水泵。在本案中三臺主泵、主泵電機型號、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變成4～20 mA的模擬量信號，作為西門子PLC模擬量輸入模塊的輸入。

5 電路及控制系統設計

5.1 主電路設計

主電路圖如圖3所示。

圖中，M1-4為四臺供水水泵電機，KM1-8為控制四臺三相異步電動機的主接觸器，FR1-4為電動機M-4的過載保護繼電器，QF1-6為普通小型斷路器。QS-3為自動和手動切換開關，FU1-3為電氣線路保護用熔斷器。

5.2 PLC的I/O分配表

本案例共占用PLC的3個輸入點，8個輸出點，PLC的具體I/O分配見表1。

5.3 循環水池低水位報警電路

當循環水池液位偏低時，應立即自動打開“自來水供水閥門”補充池內水位，否則在水泵處于空轉狀態較長時間，會損壞泵體。當水池液位低于浮球開關的安裝位置時KA2失電，利用其常開觸點切斷控制電路和常閉觸點進行聲光報警和動作補水閥。

6 控制軟件程序梯形圖設計

本案控制的程序設計的關鍵在于程序的合理性、安全性、可靠性問題。根據SCADA（高密度數據采集系統）對整體控制要求及豎井鑄造系統整體功能圖和總體自動控制標準的要求集中設計和編寫對應程序，這里不再詳述。本案設計出的PLC控制程序應包括如下基本程序塊：

①清零程序。

②電機切換程序。

③主程序執行前的采樣初始化程序。

④PID運算的中斷程序等。

7 結 語

PLC控制的變頻恒壓供水系統依據豎井生產工藝曲線穩定變化，始終保持管道壓力，在準備鑄造和結束鑄造時段用水量較少的情況下，系統自動切換到運行方式，以節能降耗。同時，在軟件設計中考慮變頻/工頻在切換時的瞬間供水壓力和電機電流的沖擊，每臺水泵均采用軟起動來解決該問題。主要具有如下特點：

①水泵電動機在鑄井生產全過程中均采用變頻調速運行方式，使供水系統管道中的壓力依據設定曲線變化，力求達到節能、節水，實現系統的恒壓供水。

②減少運行水泵數量時采用“先啟先?！钡那袚Q方式，平攤各水泵的運行時間，延長設備的使用壽命。

③在變頻器故障后仍能使用手動運行方式保障不間斷供水，保證鋁合金豎井在生產過程中達到熔融金屬鑄造安全生產工藝標準的要求，避免液態金屬爆炸事故的發生。

參考文獻：

[1] 王建偉.基于PLC的電機變頻調速試驗系統開發[D].太原：中北大學，2010.

[2] 熊建國.基于PLC的變頻調速恒壓供水系統設計與實現[D].西安：電子科技大學，2013.