基于PLC控制變頻抽水系統(tǒng)的方案設計

李仁杰

（山西經濟管理干部學院，山西 太原 030024）

0 引言

在現(xiàn)有的農田灌溉系統(tǒng)中，某些地區(qū)的抽水系統(tǒng)仍采用恒速交流電動機拖動，該系統(tǒng)存在自動化程度不高、能耗嚴重、可靠性低的缺點。本文介紹了一個基于PLC控制的變頻抽水系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)可使水泵處于變工況運行，利用變頻器進行調速，以調節(jié)電動機轉速的方法取代調節(jié)擋板或閥門，減輕了工人的勞動強度，達到了節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)總體設計方案及硬件設計

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)變頻灌溉，由兩臺水泵給蓄水池供水，通過液位變送器采樣蓄水池水深信號，經西門子PLC的模擬量模塊EM235分析處理后產生一個輸出信號，再經變頻器控制水泵電機的轉速，以實現(xiàn)變頻注水，當液位大于某一設定值時，控制抽水泵停止運轉。整個系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

1.1 MC420磁致伸縮液位計

MC420采用磁致伸縮原理設計，只有一個可移動部件——浮子，這種簡單的設計使液位計無需定期的維護和標定。MC420的外管是5/8英寸316L不銹鋼管，通過3/4英寸NPT螺紋固定液位計，每臺液位計配用一只不銹鋼浮子。變送器接線方法見圖2。

1.2 西門子S7-200PLC及其擴展模擬量模塊

S7-200（CPU采用214型）系列是一種緊湊型可編程序邏輯控制器，它能夠控制各種設備以滿足自動化的控制需求。其用戶程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復雜數(shù)學運算以及與其他智能模塊通訊等指令內容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)、改變輸出狀態(tài)以達到控制的目的。

由于系統(tǒng)具有模擬輸入輸出功能，因此選用S7-200為控制中心且增加EM235模擬量輸入輸出模塊，以實現(xiàn)模數(shù)和數(shù)模轉換。該模塊有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出通道，數(shù)字量位數(shù)均為12位，其輸入通道模擬量轉換時間為25ms，輸出通道模數(shù)轉換時間為100ms。

圖1 變頻抽水系統(tǒng)工作流程圖

6個DIP開關決定了所有的輸入設置，即開關的設置應用于整個模塊，只有在重新上電后才能生效。將DIP開關SW6設置成ON，即模擬量輸入是單極性輸入。SW1設置成ON，SW2、SW3、SW4、SW5都設置成OFF，使模擬量滿量程輸出范圍為0mA～20 mA，分辨率為5μA。

由于液位變送器輸出的是電流信號，故將EM235模塊的RC端口與C＋端口短接后接入電流輸入的正端，與液位變送器C－構成一個回路，剩下的A＋，A－；B＋，B－；D＋，D－通道全部短接；輸出I0接變頻器控制信號；L，＋M接24V電源。

圖2 變送器接線圖

1.3 變頻器

本系統(tǒng)選用西門子6SE6430-2UD31-1CA0系列模擬量控制變頻器，其模擬量輸入0mA～20mA，電源電壓范圍為380V～480V，三相交流電，功率范圍為7.5kW～90kW，輸入頻率為47Hz～63Hz，輸出頻率為0Hz～650Hz，功率因數(shù)為0.98，變頻器效率為96%～97%。

2 電氣控制系統(tǒng)原理圖

2.1 系統(tǒng)主電路

圖3為系統(tǒng)主電路圖。兩臺電動機分別為M1、M2；接觸器KM1、KM3分別控制M1、M2的工頻運行；接觸器KM2、KM4控制M1、M2的變頻運行；FR1、FR2分別為兩臺水泵電動機過載保護用的熱繼電器；QF1、QF2、QF3分別為變頻器和兩臺水泵電動機主電路的隔離開關；FU1為主電路的熔斷器；VVVF為一般變頻器。

圖3 系統(tǒng)主電路圖

2.2 系統(tǒng)控制電路

圖4為系統(tǒng)控制電路圖。圖4中，S1為總啟動開關，SB1控制M1電動機工頻運轉，SB2控制M1電動機經變頻器運轉，SB3控制M2電動機工頻運轉，SB4控制M2電動機經變頻器運轉。

3 系統(tǒng)軟件設計及說明

3.1 液位計輸出電流

對于MC420磁致伸縮液位計，由于它是線性的，輸出的電流信號I取值為4mA～20mA，對應液位L的測量范圍為0～Lmax。

蓄水池允許最低液位L1，對應液位變送器輸出電流信號為I1；蓄水池允許最高液位L2，對應液位變送器輸出電流信號為I2。根據(jù)線性關系可得：

3.2 變頻器控制電流信號

當液位L小于所設定最低液位L1時，變頻器得到最大控制電流信號20mA；當液位L大于所設定最高液位L2時，變頻器得到最小控制電流信號4mA；當液位L在L1與L2之間時，對應變頻器得到的控制電流信號為：

將式（1）代入式（2）得：

圖4 系統(tǒng)控制電路圖

4 實現(xiàn)變頻抽水的STL主程序

5 結束語

本文介紹了基于PLC的變頻抽水系統(tǒng)的基本構成及特點，并從實際出發(fā)，闡述了整個系統(tǒng)實現(xiàn)的理論基礎，通過利用可編程控制器的模擬量控制模塊具體編制PLC程序，實現(xiàn)了控制要求，并能通過手動操作實現(xiàn)變頻與工頻的自如轉換，減少了系統(tǒng)的控制接線，提高了可靠性，使系統(tǒng)的維修簡易，較好地滿足了工藝要求。

［1］王兆義.可編程控制器原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993.

［2］夏田，陳嬋娟，祁廣利.PLC電氣控制技術－CPM1A系列和S7-200［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［3］梁首發(fā).PLC與工控機應用分析［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2001（1）：40-45.

［4］李亞東.用PLC實現(xiàn)位置控制的方法［J］.上海交通大學學報，2002（4）：491-493.

［5］柳桂國.檢測技術及應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.