變頻器外部I/O控制在青草沙水庫輸水泵站的應用討論

課題來源：本論文受上海市科委課題（編號：14231200401）資助

摘要：近年來隨著科技技術的不斷進步，水務行業中越來越多的重要生產設備逐步實現了自動化操作并由PLC系統進行全面的控制、監測；然而在實際工況中，一旦出現PLC故障或檢修等情況，只依賴現有就地控制操作系統有時很難采取快速有效的應急措施，從而影響供水安全。本文闡述通過充分發掘ABB變頻器 auto/hand宏，利用對數字、模擬端口的預編程，設計出另一種獨立于PLC系統的機泵遠程頻率調速控制方法，從而確保在PLC系統癱瘓或檢修的狀態下確保供水安全。

關鍵詞：變頻器 auto/hand宏外部I/O控制青草沙水庫討論

中圖分類號：TV672.2文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

1 輸水泵站設備現狀

青草沙水庫作為我國最大的河口江心型水庫、上海的重要水源地之一，有效庫容達4.35億m3，設計最大日供水能力為719 萬噸/天。其中，輸水泵站承擔整個長興島原水供應，設計日供水量23萬噸/天，現供水量5萬噸/天；目前主要設備包括： 4臺ACS 800變頻器、4臺功率為200KW的臥式離心泵機泵及各類電磁閥等（主要設備詳見表1），其中有2臺機泵24小時不間斷供水。隨著自動化程度不斷地提高，設備啟停，信號通訊、監控等均由PLC系統進行操作。雖由此可大大提高集中化管理，并有智能化、多功能化等諸多優點，但針對現階段輸水泵站的運行也存在一些隱患；

設備名稱數量型號

輸水機泵4電機：YJSPS355L-8；水泵：650SW-15.8

變頻器4ACS800-07P-0260-3+B054+E205+G300+K458+P901+R712

電控進出水閥4BFCS-4（進水管：DN1000、出水管：DN800）

緩閉止回閥4PN10 PS11bar

輸水泵PLC系統21756—L61B系列

公共PLC系統11756—L61B系列

表 1 輸水泵站供水主要設備

2 問題的提出與意義

輸水泵站設備目前均采用PLC冗余集中控制模式且擁有比較高的可靠性，然而一旦發生PLC故障或需要檢修，就可能面臨整個長興支線系統癱瘓、設備停機的隱患。雖然每臺設備均有就地操作模式，但仍有以下缺陷：

（1）故障時需在變頻器控制盤上手動切換為就地模式或進行故障復位，而由于設備分布過于分散（變頻器距離機泵150米左右），不利于運行人員采取應急措施，使應急時間拖長。

（2）在PLC系統故障或檢修情況下，現有的就地操作模式沒有連鎖機構。在應急操作狀態下，無法排除運行人員出現誤操作，從而造成事故的進一步擴大。

（3）在現有就地操作運行模式下，沒有機泵溫度、轉速、報警等重要的機泵運行參數，對整個機組的運行狀態無法全面監控。

因此基于以上三點，我們需要為變頻器設計一種獨立于PLC的控制運行方式，從而使變頻器無需在控制盤上進行就地切換，就能遠程進行頻率調節；同時利用加裝的輔助設施，解決開停機、機構連鎖、參數顯示等問題，從而為安全不間斷供水再加裝一道保險。

3 可能性分析

通過對現有ACS 800變頻器相關資料進行分析可知，在變頻器的控制基板中已經預先植入了大量PLC及PID算法，并且形成相應多種不同功能的參數集---簡稱“宏”。在每次變頻器啟動時，用戶可以對宏程序進行設置、修改，以此來滿足各種不同工況下的要求。目前，輸水泵站變頻器采用的是auto/hand 宏，其可以擁有兩套運行控制參數EXT1（手動）和EXT2（自動），通過詳細查看參數表及端子排可知，目前變頻器僅使用了EXT2（自動）的下數字DI6一個端口，并用其作為啟動功能（其余通過通訊模塊由PLC進行控制），遠未發揮變頻器功能，因此可擴展的潛力巨大。

4 工藝方案設計

經過進一步研究，可發現通過auto/hand宏，在控制中可將所有端口分為數字量端口（DI）與模擬量端口（AI）兩組，通過對其中一個DI端口進行參數定義，可實現對EXT1與EXT2，即I/O端口給定參數模式與PLC給定參數模式互為切換（無論哪種狀態，變頻器始終處于遠程狀態）。同時可通過加裝變頻器SUP7035模塊強化信號輸出，確保4～20ma電流信號在150米長距離傳輸中不會造成衰減。這樣就解決了現場控制的獨立參數給定與控制，真正實現了PLC系統與就地控制的互為備用；

定義編碼號I/O端口號功能

10.01DI1就地啟動

DI2就地停止

11.02DI3自動/就地切換

16.04DI4故障復位

16.01DI5急停

無DI7COM端

11.03AI24～20頻率給定

15.01AO1轉速反饋

15.06AO2電機電流

表2 變頻器新I/O端口定義編碼及功能

變頻器的I/O數字量端口總共可分為7個DI開關量數字端口、3個AI模擬量輸入端口及2個AO模擬量輸出端口。由于原auto/hand宏只運用了一個DI開關量端口，因此需在變頻器的相應編碼號中將此宏的其他DI及AI、AO端口重新全部定義成我們所期望的功能端口（由“表2”可知）；另外，為了全面優化就地控制系統，在定義過程中除了加入必須的“頻率給定”、“自動/就地切換”外，還可以加入了“急停”、“故障復位”等重要、實用功能；

同時在AO1、AO2的下端接入2塊變頻器擴展模塊sup7035電流模塊，一方面為上述提到的增加4～20ma電流信號，另一方面也是為今后可能的改造留出充足的AO通道，以備不時之需，具體列表詳見下“圖1”。

圖1 變頻器新I/O端口示意圖

由此可以看到，當DI3激活自動時，通過編碼11.06將EXT2的輸入通道設定為“現場總線模式”時，整個系統運行狀態由PLC系統進行參數給定、啟停等控制；當DI3激活手動時，變頻器控制優先權自動剝離PLC系統，轉入由AI2端口進行頻率給定，并配合其它端口進行機泵控制；如此就較為圓滿的解決了輸水泵站遠程就地控制的問題。

5 預計應用后的效果

此方案實際上為輸水泵站的變頻器運行模式提供了另一種運行模式，從而達到三重保護，即“常規PLC運行模式”、“應急I/O輸出運行模式”、“變頻器控制盤純就地運行模式”。任意兩種模式故障后，仍有第三種模式可以運行。同時，通過變頻器I/O輸出參數給定的模式，避免了應急情況下需要在變頻器控制盤上切換就地遠程狀態的過程，大大縮短了應急時間，為應急處理爭取了寶貴的時間，為長興支線的安全運行提供了有力保障。

變頻器控制盤操作模式變頻器外部I/O操作模式

應急操作距離150米左右30米左右

應急反應時間較長短

現場信號反饋無有

表3 就地操作模式與外部I/O模式對比

參考文獻

【1】、ABB 變頻器（ACS 800）固件說明書手冊；

【2】、郭艷萍.變頻器應用技術.北京師范大學出版社.2009；

【3】、劉美俊.中國電力出版社.2008；