水泵變頻節(jié)能控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

曹 宇，李 慧，李 凡

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，濟(jì)南250100）

循環(huán)泵是空調(diào)機(jī)房運(yùn)行中的主要耗電設(shè)備，其設(shè)備容量往往是按其最大負(fù)荷選定，而實(shí)際運(yùn)行中一般在60%～80%負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，造成設(shè)備效率低下，電能浪費(fèi)，因此，對(duì)循環(huán)泵實(shí)施變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行，就顯得尤為重要，從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)煤、室溫恒定的運(yùn)行效果[1]。就此問題，該文搭建一個(gè)小型循環(huán)泵變頻教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)循環(huán)泵實(shí)施變頻節(jié)能運(yùn)行。

同時(shí)在當(dāng)今自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC、變頻器與觸摸屏技術(shù)的綜合應(yīng)用相當(dāng)廣泛，PLC 具有功能強(qiáng)、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)；變頻器節(jié)能高效，更有利于提高經(jīng)濟(jì)效益；觸摸屏逐步取代過去設(shè)備的操作面板和指示儀表，成為應(yīng)用越來(lái)越廣泛的人機(jī)界面（HMI）。結(jié)合當(dāng)前所學(xué)的綠色節(jié)能的專業(yè)理念，將這3 種控制技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生在校期間就能掌握當(dāng)今自動(dòng)化控制領(lǐng)域的流行技術(shù)，從而培養(yǎng)滿足社會(huì)需要的高素質(zhì)的工程技術(shù)人才[2]。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)管網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸長(zhǎng)×寬×高（2.0 m×1.0 m×1.5 m）設(shè)計(jì)出管網(wǎng)流程如圖1所示，選取管材為PPR 的塑料管，型號(hào)選為DN20，管網(wǎng)長(zhǎng)度為8 m，設(shè)計(jì)流量不超過1 m3/h，取設(shè)計(jì)速度為0.75 m/s，則設(shè)計(jì)流量為0.85 m3/h；管網(wǎng)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(shù)；ρ 為流體密度（kg/m3）；ν 為流體速度（m/s）。

圖1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)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(tǒng)底層設(shè)備

根據(jù)壓力損失選擇合適的系統(tǒng)設(shè)備，需要監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)有壓力、流量、功率值等，分別由壓力變送器、智能電磁流量計(jì)、功率變送器及水泵來(lái)完成，所選系統(tǒng)設(shè)備的性能如表2所示。

表2 設(shè)備性能表Tab.2 Equipment performance

3 控制層硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/本地切換、PLC 與傳感器、變頻器上傳/下載數(shù)據(jù)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(tǒng)的CPU 模塊通過啟動(dòng)/停止按鈕來(lái)控制變頻器的啟停，轉(zhuǎn)換開關(guān)可選擇本地/遠(yuǎn)程調(diào)控。本地調(diào)控利用電位器，可進(jìn)行連續(xù)調(diào)頻；遠(yuǎn)程調(diào)控通過PLC 的模擬量模塊輸出固定模擬值，可進(jìn)行固定調(diào)頻，也可通過反饋的流量、壓力等值進(jìn)行多段調(diào)頻。調(diào)頻后通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)入模擬量輸入模塊，最后可通過觸摸屏顯示出來(lái)。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig.3 System control flow chart

4 MM420 變頻器參數(shù)設(shè)置

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的需求，對(duì)變頻器的參數(shù)按順序進(jìn)行設(shè)置，如表3所示。

表3 MM420 變頻器參數(shù)表Tab.3 MM420 parameter list

對(duì)于基本操作面板（BOP）控制：在以上的基礎(chǔ)上，需要設(shè)置以下指令（表4）。

表4 BOP 控制參數(shù)表Tab.4 BOP control parameter list

對(duì)于端子排控制：在以上的基礎(chǔ)上，需要設(shè)置以下指令（表5）。

表5 端子排控制參數(shù)表Tab.5 Terminal strip control parameter list

5 控制層軟件設(shè)計(jì)

5.1 PLC 軟件設(shè)計(jì)

S7-200 系列的編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，編程設(shè)計(jì)分為變頻器啟停、手自動(dòng)調(diào)頻切換、壓力變送器模擬量輸入、電磁流量計(jì)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(jù)壓力值進(jìn)行多段調(diào)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(yǔ)句表與梯形圖設(shè)計(jì)如下：

語(yǔ)句表的設(shè)計(jì)：

對(duì)應(yīng)的梯形圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

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

5.2 MCGS 軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用型號(hào)為TPC7062 的昆侖通態(tài)的觸摸屏，組態(tài)軟件為MCGS 嵌入版組態(tài)軟件。MCGS具有解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)、完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能[3]，組態(tài)軟件設(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)變量及連接的PLC 地址變量見表7。

表7 MCGS 與PLC 變量對(duì)應(yīng)表Tab.7 Corresponding table of variable of MCGS and PLC

5.3 PLC 與觸摸屏的通訊

組態(tài)軟件之所以能實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)作，是因?yàn)镻LC 與MCGS 之間進(jìn)行了通信，這一功能靠設(shè)備窗口組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)備組態(tài)如圖5所示。首先，在設(shè)備工具箱中選擇通用串口父設(shè)備并添加西門子S7-200PLC。然后，在通用串口父設(shè)備下進(jìn)行設(shè)備屬性編輯，最后，在S7-200PPI 下進(jìn)行通道連接[4]。

5.4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

圖5 設(shè)備屬性編輯圖Fig.5 Edit diagram for device properties

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)了以下3 個(gè)實(shí)驗(yàn)：利用PLC，給定頻率值，測(cè)量管網(wǎng)壓力值與流量值；利用電位器調(diào)頻，測(cè)量管網(wǎng)壓力值與流量值；通過調(diào)頻來(lái)測(cè)量水泵電機(jī)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(shí)驗(yàn)界面圖Fig.7 Experimental interface diagram

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到優(yōu)化水泵的節(jié)能效果、減少電能損耗、提升水泵利用效率以及優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)整體供水質(zhì)量的重要性，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過初期管網(wǎng)的自主設(shè)計(jì)、設(shè)備的選型、硬件的接線、程序的順序控制等工作，設(shè)計(jì)出3 個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，將PLC、變頻器、觸摸屏（HMI）及傳感器這些技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合節(jié)能降耗的專業(yè)理念，使學(xué)生掌握簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析、解決問題的能力，最終達(dá)到融會(huì)貫通，也使學(xué)生的實(shí)踐能力得到較大的提升，對(duì)專業(yè)建設(shè)、學(xué)生就業(yè)起到強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。