基于PLC變頻器恒壓供水系統的改造

玉　波　王　杰

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

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基于PLC變頻器恒壓供水系統的改造

玉波王杰

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

摘 要：對基于PLC變頻器恒壓供水系統的構成、原理、功能等進行詳細介紹。

關鍵詞：PLC；變頻器；恒壓供水；狀態監控

一、項目運行概況

本供水系統是為柳東乘用車基地焊裝車間B/D平臺生產線的焊接管冷卻供水之用。在車間外有一個大的物質循環風冷水池，為該供水系統中提供冷卻循環用水。水循環的流程為從交聯冷卻水管的下端進，從接近上端的位置接回水池。水池上方裝有3臺風機，作為回水管的冷卻之用。

該供水系統原有3臺110kW三相異步水泵電機，采用兩用一備的系統控制方式，通過傳統的繼電器/接觸器來控制電機運行。由于電機一直處于工頻運行狀態，導致循環水的壓力不穩定，時高時低：水壓高時導致設備管路爆裂，水壓低時導致設備因工作溫度過高而故障報警，無法適應生產要求。迫于生產需求，需對該冷卻循環供水系統進行提升改造。

二、項目改造方案及實施辦法

該項目主要是針對焊裝車間水泵站提供恒壓供水方案。為此設計了一套具有高性能PLC變頻器控制系統來替代傳統手動操作的接觸器式控制系統。此系統重點是根據現場不同設備運行的需求，自動調節輸出頻率控制電動機的轉速，從而保持系統不同工況下冷循環供水的壓力為0.20～0.25MPa。

1.電控系統設計。新增變頻電柜，柜體選用仿威圖品牌。柜內安裝兩臺變頻器及其附件，并將強/弱電分開。兩電控柜側均安裝電柜專用空調。電控柜底座各側均留有檢修孔以便線路檢修及線路增改。前側柜內板安裝抽拉式筆記本電腦托架，方便維修人員進行PLC數據連接與監控，上方安裝觸摸屏、按鈕、數顯表、指示燈、電壓切換開關等。

2.電路圖的繪制。電路圖包括：電氣原理圖、電氣接線圖、電氣安裝布局圖等。采用CAD軟件進行繪制，PLC的I/O地址作為接入部件的線號，方便維修查詢及使用。

3.分布式I/O設計。主控PLC采用西門子S7-300系列分布式IO產品，PLC系統采用PROFIDP網絡結構，變頻器和觸摸屏等部件的控制通過PROFIDP網絡模塊進行整合。PLC系統配置模擬量輸入、輸出、數字輸入、數字輸出、壓力傳感器等模塊。

4.PLC梯形圖設計。PLC控制程序采用西門子S7軟件編譯，采用梯形圖設計，中文注釋。根據功能設置不同的功能程序塊，易讀容易理解，所有安全信號均采用雙回路安全控制，對于設備的操控均設有安全保護程序。

表1　主要電氣元件

5.硬件選型。主要電氣元件如表1所示。

6.電控系統安裝、敷設。主要包含電控柜固定安裝、電控柜與外部傳感器電纜、橋架和線管的鋪設以及沿傳感器安裝位置管路鋪設等。

三、電控系統原理及調試

1.系統由西門子s7-300PLC做編程控制器，網絡內包含兩臺ABB變頻器和1臺西門子觸摸屏，設置手動和自動兩種工作模式，有故障聲光報警功能、緊急停止功能、觸摸屏操作、顯示系統工作狀態功能。

2. 手動控制模式。手動模式下兩臺變頻器可通過觸摸屏分別實現低、中、高速啟動、停止、緊急停止等功能；手動控制用于系統調試、維修、保養。在手動模式下變頻器通過本地端子控制，外部信號不經過PLC系統直接控制變頻器，在PLC系統出現故障時仍可使用。

3.自動模式用于系統正常運行，實現自動運行、停止和緊急停止。自動模式變頻器的啟動和停止根據外部壓力傳感器（模擬量）信號來自動控制啟動、停止和頻率的變化，形成閉環恒壓控制。具體控制過程為：當壓力傳感器壓力低于0.20 MPa時變頻器1#和2#同時啟動，當壓力傳感器壓力達到0.24 MPa時2#變頻器停止，當壓力傳感器壓力達到0.27MPa時1#變頻器停止。低于0.20 MPa（可滿足使用要求的最低壓力）兩臺水泵同時啟動是為了盡快提高循環水壓力，以保證可以正常工作；達到0.25MPa時2#變頻器停止，當壓力達到0.25MPa 時循環水系統壓力已能夠完全滿足正常冷卻要求，為了達到節能目的只使用1臺水泵；達到0.29MPa（可滿足使用要求的最高壓力）時系統壓力已達到最大，兩臺水泵都停止。

4. 蓄水池自動補水。增加DN50補水管道通過L低水位和H高水位作為補水開始和結束的信號，信號進入PLC系統，在觸摸屏上顯示，PLC通過連鎖和判斷信號的準確性之后來控制電控閥的開啟和閉合，HH 和LL作為水位過高和過低信號，觸發聲光報警系統。

5.現場總線通信。控制系統中為使PLC通過PROFIBUS-DP網絡與變頻器通信，需在ABB變頻器上加裝現場總線適配器模塊。通過選用 RPBA-01 PROFIBUS-DP 適配器， ABB變頻器就可以連接到PROFIBUS 網絡上。在西門子PLC管理界面，通過點擊硬件—組態—設置—安裝GSD文件來安裝 RPBA-01 GSD 文件 ( ABB_0812.GSD)。安裝完畢自動生成ABB Drives RPBA-01文件，將其拖動至DP總線上。選擇屬性設置operation mode 為VENDOR SPECIFIC（也就是 ABB Drives），設置 PPO 類型，波特率和站點地址（需與模塊上的旋碼開關設置的站地址一致），即可以完成硬件組態和通信。

這樣，PLC通過得到外部傳感器信號發出控制命令給變頻器，變頻器通過控制字得到相應的動作指令并且發出狀態字把狀態信息反饋給PLC，實現實時控制—反饋—控制的閉環系統。觸摸屏與PLC也通過PROFIBUS-DP網絡通信，系統實現完全網絡通信。電氣系統控制示意圖如圖1所示。

圖1　電氣系統控制示意圖

6.新增人機界面，方便人機交互。在原系統采用傳統繼電器控制方式，沒有辦法實現系統狀態的監控。通過改進，新增西門子觸摸屏，在觸摸屏中加入狀態、報警等監控畫面（圖2）。

圖2　電控系統監控畫面

外部壓力傳感器一共10個，主管東西兩部分各1個，B/D平臺和焊裝線各4個，其中8個壓力傳感器實時監測監控點的壓力，東、西主管2個壓力傳感器信號都將進入PLC中參與閉環控制（東、西主管2個壓力傳感器一備一用），并且在觸摸屏中實時顯示壓力數值，以便操作和維修人員能隨時了解系統各處水壓的變化，方便維修與保養。

在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，控制要求發生改變時，可以方便地通過PLC機來改變內存中的控制程序，便可滿足不同供水控制系統的高效節能要求，所以現場調試方便。

四、項目改造效果

項目投入使用后，系統運行穩定、可靠，極大的降低維修備件費用。基于PLC變頻器控制器的恒壓供水控制系統應用簡單，功能強大，節能效果顯著。PLC變頻器控制系統的特點是使用交流接觸器少、投資小、接線簡單、故障點少、運行可靠、維護簡便。同時由于PLC的抗干擾能力強，因此系統的可靠性大大提高。

五、結語

恒壓供水采用PLC變頻器控制系統是一種有效的技術手段，它充分發揮了其可靠性高、操作簡單的優點。現有的系統實現了車間級制冷站循環供水系統的工況控制、調節和設備狀態監控功能。將來還可以通過對更多現場數據的采集與傳輸，如電壓、電流、功率、水壓、水位、水流量等，通過開發上位機的數據管理系統，實現具有綜合功能的工廠級自動化控制與管理系統，提高后勤管理能力。

收稿日期：（2015-12-04）

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）02-0056-03