基于S7-300 PLC和PROFINET的鋼廠循環(huán)冷卻水恒壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高鋼廠循環(huán)冷卻水供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性及節(jié)能效果，本文設(shè)計(jì)了一種基于 S7-300 PLC、PROFINET 和 G120 變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測管網(wǎng)壓力，通過 PID 控制算法調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，并具有良好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)循環(huán)水；變頻器；S7-300PLC；PID；PROFINET總線

中圖分類號：TP311" "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）07-0104-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

隨著汽車輕量化技術(shù)的快速發(fā)展，帶動鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，鋼廠循環(huán)水系統(tǒng)是獨(dú)立并且十分重要的子系統(tǒng)，循環(huán)供水系統(tǒng)中最主要的執(zhí)行器為水泵。傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)自動化程度低，水泵能耗巨大，控制系統(tǒng)故障率高，影響鋼鐵生產(chǎn)效率[1]。變頻恒壓控制技術(shù)應(yīng)用于鋼廠循環(huán)水控制系統(tǒng)，采用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測現(xiàn)場水管壓力，同時(shí)將壓力實(shí)際值顯示在上位機(jī)監(jiān)控畫面，提高循環(huán)水控制系統(tǒng)的自動化程度，減少控制系統(tǒng)故障率，同時(shí)節(jié)能效果明顯[2-3]。對鋼鐵企業(yè)具有十分重要的意義。本文設(shè)計(jì)了S7-300PLC+PROFINET+G120變頻器組成控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，優(yōu)化水泵啟動與運(yùn)行，提高水泵壽命。

1 系統(tǒng)組成

循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)由2個(gè)蓄水池、冷卻塔、過濾設(shè)備等主要設(shè)備組成。冷卻空壓機(jī)等設(shè)備的工業(yè)循環(huán)水含有較高的溫度，將含有較高溫度的循環(huán)水統(tǒng)一收集在熱水池，由提升水泵提升至冷卻塔進(jìn)行降溫處理，將降溫處理后的循環(huán)水收集在冷水池進(jìn)一步處理，在冷水池中通過加藥裝置去除循環(huán)水中的藻類和懸浮物，除去藻類和懸浮物的循環(huán)水經(jīng)水泵提升至過濾器，除去其他雜質(zhì)，上清液由水泵提升至冷卻設(shè)備。由于蒸發(fā)作用等，為了確保循環(huán)水能夠穩(wěn)定地冷卻設(shè)備，必須定期補(bǔ)充新水。循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2 供水控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 G120變頻器參數(shù)設(shè)計(jì)

G120變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)方案，其構(gòu)成的必要部分分為控制單元和功率單元，控制單元選用CU230P-2PN，即具有兩個(gè)PROFINET端口，可以與CPU314-2PN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制變頻器的頻率設(shè)定值。功率模塊選用PM230模塊，此模塊是專門用于風(fēng)機(jī)、泵類和壓縮機(jī)的專用模塊，優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)高、諧波小，但是這類模塊不能進(jìn)行再生能量制動，其制動產(chǎn)生的能量通過外接制動電阻轉(zhuǎn)換成熱量消耗。設(shè)置變頻器參數(shù)后，G120變頻器才能正常工作，變頻器頻率設(shè)定值由 CPU314-2PN 通過 PROFINET 總線控制，設(shè)置變頻器基本參數(shù)如下：

2.2 PLC硬件設(shè)計(jì)

PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放的現(xiàn)場總線，使用PROFINET IO，可以將分布式I/O設(shè)備直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，與PLC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。淬火供水控制系統(tǒng)選用CPU314-2PN/DP作為控制中心，該CPU帶有一個(gè)PN接口，用于連接PROFINET I/O設(shè)備G120變頻器。組態(tài)數(shù)字量輸入模塊，分別連接6個(gè)按鈕，用于生產(chǎn)現(xiàn)場啟停水泵。組態(tài)數(shù)字量輸出模塊，分別連接3個(gè)接觸器，實(shí)現(xiàn)水泵組變頻與工頻之間的切換[4]。模擬量輸入模塊，用于檢測工業(yè)現(xiàn)場的水管的壓力，水池的液位高低，模擬量輸出模塊，用于控制工業(yè)現(xiàn)場閥門的開度大小。壓力傳感器與液位傳感器檢測的實(shí)際值經(jīng)過變送器之后，變?yōu)?～10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，將此電壓信號接在模擬量輸入模塊端子，模擬量輸入模塊具有A/D轉(zhuǎn)換功能，將標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號再次轉(zhuǎn)換為0～27 648的數(shù)字量，供編程使用。循環(huán)水系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

2.3 用STEP7軟件組態(tài)G120變頻器

在STEP7軟件中組態(tài)供水控制系統(tǒng)的硬件組成部分，選用CPU314C-2PN/DP作為控制中心，組態(tài)PROFINET工業(yè)網(wǎng)線，設(shè)置IP地址192.168.0.1，選用具有以太網(wǎng)端口通信的變頻器G120，設(shè)置地址為192.168.0.2，同時(shí)組態(tài)PLC與變頻器G120的通信報(bào)文，選擇具有2個(gè)字的過程數(shù)據(jù)PZD輸入地址和2個(gè)字的PZD輸出地址，主站PLC將控制字和轉(zhuǎn)速設(shè)定值字通過地址QW256與QW258發(fā)送給變頻器G120，變頻器G120接收到后通過地址IW256與IW258立即返回狀態(tài)字和濾波后的轉(zhuǎn)速實(shí)際值字。同時(shí)PLC 經(jīng)過PROFIBUS-DP總線傳輸給上位機(jī)，將變頻器的實(shí)際值顯示在上位機(jī)畫面上，方便工作人員查看。最后將其他模塊組態(tài)到系統(tǒng)之中，如數(shù)字量輸入模塊，用于輸入現(xiàn)場開關(guān)、按鈕信號等；數(shù)字量輸出模塊，用于控制水泵工頻運(yùn)行；模擬量輸入模塊，用于控制現(xiàn)場水池液位等。STEP7 硬件組態(tài)如圖3 所示。

3 變頻恒壓控制原理

3.1 連續(xù)PID控制器FB41

在FB41內(nèi)部，PID控制器的給定值、反饋值和輸出值都是用0.0%～100.0%的浮點(diǎn)數(shù)百分?jǐn)?shù)來表示的。FB41將來自模擬量輸入模塊的整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)格式的百分?jǐn)?shù)，將PID控制器的輸出值轉(zhuǎn)換為0～16 384的整數(shù)，控制水泵電機(jī)。如果設(shè)定值有物理意義，過程變量（即反饋值） 也可以轉(zhuǎn)換為該物理值。FB41 CONT_C 功能塊圖如圖4所示。主要接口參數(shù)如下：SP_INT連接壓力給定值信號，PV_PER連接壓力傳感器檢測實(shí)際值，調(diào)節(jié)參數(shù)比例增益GAIN、積分時(shí)間TI及微分時(shí)間TD，F(xiàn)B41的輸出值為LMN，且以百分比的形式輸出。

3.2 變頻恒壓供水原理

采用變頻恒壓供水控制系統(tǒng)能夠提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在STEP7軟件中調(diào)用FB41指令，指令設(shè)定值由上位機(jī)界面輸入，用壓力傳感器檢測被控量現(xiàn)場壓力，變送器將微弱的電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流4～20mA，PLC用模擬量輸入模塊中的A-D轉(zhuǎn)換器，將它們轉(zhuǎn)換為與壓力成正比例的多位二進(jìn)制數(shù)過程變量0～27 648，作為壓力反饋值，CPU將它與壓力設(shè)定值比較，將差值進(jìn)行PID運(yùn)算[5]。PID運(yùn)算結(jié)果通過PROFINET總線傳輸給G120變頻器，作為頻率給定。調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步調(diào)節(jié)水管壓力。變頻恒壓供水原理圖如圖5所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)定值程序設(shè)計(jì)

在STEP7軟件中調(diào)用FB41指令，在FB41內(nèi)部，PID控制器的設(shè)定值SP_INT、過程變量輸入PV_IN和輸出值LMN都是浮點(diǎn)數(shù)格式的百分?jǐn)?shù)。設(shè)定值由觸摸屏輸入，通過PROFIBUS總線傳輸給PLC，設(shè)定值單位kPa，因此需要編寫程序?qū)⒁詋Pa為單位的設(shè)定值轉(zhuǎn)換為0～27 648的浮點(diǎn)數(shù)格式。設(shè)定值處理程序如圖6所示。

4.2 過程值處理程序設(shè)計(jì)

當(dāng)PVPER_ON為1狀態(tài)時(shí)，用PV_PER輸入外部設(shè)備的過程變量，即用模擬量輸入模塊輸出的數(shù)字值作為PID控制的過程變量。CRP_IN方框?qū)?～27 648的外部設(shè)備過程變量PV_PER，轉(zhuǎn)換為0%～100%的浮點(diǎn)數(shù)格式的百分?jǐn)?shù)。同時(shí)將0～27 648的浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為以kPa為單位的工程量，顯示在上位機(jī)畫面上，水管壓力最大值為50kPa。過程值處理程序如圖7所示。

4.3 輸出值程序設(shè)計(jì)

FB41的輸出值LMN為浮點(diǎn)數(shù)的百分?jǐn)?shù)，且存于MD200地址，需要將此值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)水泵轉(zhuǎn)速，水泵最大轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，再將轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為變頻器能識別的數(shù)字量0～27 648，通過PROFINET總線傳輸給G120變頻器，作為變頻器頻率設(shè)定值，控制水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步控制水管壓力[6]。輸出值程序如圖8所示。

4.4 通信程序設(shè)計(jì)

FB41運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換變?yōu)樽冾l器能識別的數(shù)字量0～16 384，此轉(zhuǎn)速設(shè)定值通過地址QW258由PROFINET總線傳輸給變頻器，作為頻率給定值。同時(shí)變頻器的實(shí)際頻率值通過地址IW258由PROFINET總線傳輸給PLC，顯示在上位機(jī)畫面上。通信處理程序如圖9所示。

5 總結(jié)

鋼廠循環(huán)冷卻水控制系統(tǒng)通過PROFINET總線實(shí)現(xiàn)S7-300PLC與G120變頻器數(shù)據(jù)交換，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。變頻調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速范圍廣、效率高、機(jī)械性能較硬等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到循環(huán)水控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)節(jié)能，恒壓供水根據(jù)現(xiàn)場用水量大小進(jìn)行實(shí)時(shí)控制水泵轉(zhuǎn)速，大大提高了供水效率和質(zhì)量，與傳統(tǒng)控制方式相比，具有更高的可靠性。

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