水泵變頻節能控制實驗臺的設計與開發

曹 宇，李 慧，李 凡

（山東建筑大學 熱能工程學院，濟南250100）

循環泵是空調機房運行中的主要耗電設備，其設備容量往往是按其最大負荷選定，而實際運行中一般在60%～80%負荷下運轉，造成設備效率低下，電能浪費，因此，對循環泵實施變頻調速節能運行，就顯得尤為重要，從而達到節能、節煤、室溫恒定的運行效果[1]。就此問題，該文搭建一個小型循環泵變頻教學實驗臺對循環泵實施變頻節能運行。

同時在當今自動化控制領域，PLC、變頻器與觸摸屏技術的綜合應用相當廣泛，PLC 具有功能強、可靠性高等一系列優點；變頻器節能高效，更有利于提高經濟效益；觸摸屏逐步取代過去設備的操作面板和指示儀表，成為應用越來越廣泛的人機界面（HMI）。結合當前所學的綠色節能的專業理念，將這3 種控制技術引入實驗教學中，使學生在校期間就能掌握當今自動化控制領域的流行技術，從而培養滿足社會需要的高素質的工程技術人才[2]。

1 實驗臺管網方案設計

根據實驗臺尺寸長×寬×高（2.0 m×1.0 m×1.5 m）設計出管網流程如圖1所示，選取管材為PPR 的塑料管，型號選為DN20，管網長度為8 m，設計流量不超過1 m3/h，取設計速度為0.75 m/s，則設計流量為0.85 m3/h；管網比摩阻540 Pa/m；所以沿程壓力損失Pf=540 Pa/m×8 m=4.32 kPa；局部壓力損失公式為

式中：ξ 為局部阻力系數；ρ 為流體密度（kg/m3）；ν 為流體速度（m/s）。

圖1 管網設計圖Fig.1 Pipe network design diagram

局部及總壓力損失如表1所示，總壓力損失為29.89 kPa。

表1 局部及總壓力損失Tab.1 Partial and total pressure loss

2 系統底層設備

根據壓力損失選擇合適的系統設備，需要監測的實驗參數有壓力、流量、功率值等，分別由壓力變送器、智能電磁流量計、功率變送器及水泵來完成，所選系統設備的性能如表2所示。

表2 設備性能表Tab.2 Equipment performance

3 控制層硬件設計

實驗臺所需的控制層硬件包括CPU224、EM231、EM232、MM420 變頻器、MCGS 觸摸屏以及傳感器等，包括手自動調節實現遠程/本地切換、PLC 與傳感器、變頻器上傳/下載數據的交互、觸摸屏與PLC通訊等功能。硬件連接形式如圖2所示。

圖2 硬件接線示意圖Fig.2 Hardware wiring diagram

系統的CPU 模塊通過啟動/停止按鈕來控制變頻器的啟停，轉換開關可選擇本地/遠程調控。本地調控利用電位器，可進行連續調頻；遠程調控通過PLC 的模擬量模塊輸出固定模擬值，可進行固定調頻，也可通過反饋的流量、壓力等值進行多段調頻。調頻后通過現場傳感器采集到的數據進入模擬量輸入模塊，最后可通過觸摸屏顯示出來。系統控制流程如圖3所示。

圖3 系統控制流程Fig.3 System control flow chart

4 MM420 變頻器參數設置

根據本實驗臺的需求，對變頻器的參數按順序進行設置，如表3所示。

表3 MM420 變頻器參數表Tab.3 MM420 parameter list

對于基本操作面板（BOP）控制：在以上的基礎上，需要設置以下指令（表4）。

表4 BOP 控制參數表Tab.4 BOP control parameter list

對于端子排控制：在以上的基礎上，需要設置以下指令（表5）。

表5 端子排控制參數表Tab.5 Terminal strip control parameter list

5 控制層軟件設計

5.1 PLC 軟件設計

S7-200 系列的編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 對系統進行編程，編程設計分為變頻器啟停、手自動調頻切換、壓力變送器模擬量輸入、電磁流量計模擬量輸入、功率變送器模擬量輸入、PLC 給變頻器輸出模擬值、 根據壓力值進行多段調速等部分。地址變量分配如表6所示。

表6 PLC 地址變量Tab.6 PLC address variable

部分軟件編程語句表與梯形圖設計如下：

語句表的設計：

對應的梯形圖設計如圖4所示。

圖4 編程梯形圖Fig.4 Programmed ladder diagram

5.2 MCGS 軟件設計

實驗臺采用型號為TPC7062 的昆侖通態的觸摸屏，組態軟件為MCGS 嵌入版組態軟件。MCGS具有解決實際工程問題的完整方案和開發平臺、完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業監控網絡等功能[3]，組態軟件設計需要的數據變量及連接的PLC 地址變量見表7。

表7 MCGS 與PLC 變量對應表Tab.7 Corresponding table of variable of MCGS and PLC

5.3 PLC 與觸摸屏的通訊

組態軟件之所以能實時監控水泵實驗臺的動作，是因為PLC 與MCGS 之間進行了通信，這一功能靠設備窗口組態來實現。本系統的設備組態如圖5所示。首先，在設備工具箱中選擇通用串口父設備并添加西門子S7-200PLC。然后，在通用串口父設備下進行設備屬性編輯，最后，在S7-200PPI 下進行通道連接[4]。

5.4 觸摸屏界面設計

圖5 設備屬性編輯圖Fig.5 Edit diagram for device properties

根據實驗的要求，設計了以下3 個實驗：利用PLC，給定頻率值，測量管網壓力值與流量值；利用電位器調頻，測量管網壓力值與流量值；通過調頻來測量水泵電機消耗的功率值。圖6、圖7為觸摸屏界面。

圖6 觸摸屏主界面圖Fig.6 Main interface diagram of touch screen

圖7 實驗界面圖Fig.7 Experimental interface diagram

6 結語

現階段人們已經認識到優化水泵的節能效果、減少電能損耗、提升水泵利用效率以及優化空調系統整體供水質量的重要性，本實驗臺通過初期管網的自主設計、設備的選型、硬件的接線、程序的順序控制等工作，設計出3 個實驗方案，將PLC、變頻器、觸摸屏（HMI）及傳感器這些技術引入實驗教學中，結合節能降耗的專業理念，使學生掌握簡單的控制系統的設計方法，培養學生自主學習、分析、解決問題的能力，最終達到融會貫通，也使學生的實踐能力得到較大的提升，對專業建設、學生就業起到強有力的推動作用。