基于PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)工廠恒壓供水系統(tǒng)改造

廖若峰

摘要：工廠原先采用傳統(tǒng)的供水方式，因?yàn)樗畨翰荒鼙３趾愣?，?dǎo)致部分設(shè)備不能穩(wěn)定正常工作。改造后的恒壓供水系統(tǒng)采用壓力傳感器、西門子PLC S7-1214C和變頻器G120作為中心控制裝置，根據(jù)供水壓力的高低，PLC經(jīng)過PID運(yùn)算，通過控制字與速度字去改變變頻器運(yùn)行頻率，從而調(diào)節(jié)供水泵的轉(zhuǎn)速，確保供水水壓持續(xù)恒定。

關(guān)鍵詞：PLC;變頻器;壓力模擬量;PID控制，恒壓控制

一、引言：

工廠原有供水系統(tǒng)，根據(jù)壓力高低，通過繼電控制3臺水泵供水，存在問題是，故障率較高，壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致部分設(shè)備無法穩(wěn)定正常工作。

設(shè)備改造方案是采用壓力變送器測量用水壓力，由PLC通過變頻器控制三臺水泵的運(yùn)行：（1）三臺泵中，一臺水泵工頻運(yùn)行，不調(diào)控，另外二臺泵由PLC根據(jù)測量壓力的高低，通過變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制供水流量，使供水和用水之間保持平衡。（2）設(shè)置時(shí)間管控：某臺水泵運(yùn)行12個(gè)小時(shí)后，自動(dòng)切換到另外一臺水泵運(yùn)行;（3）通過觸摸屏人為改變供水壓力設(shè)定值，并與PLC程序關(guān)聯(lián)，此外還設(shè)置手動(dòng)控制模式以及故障處理模式。

二、系統(tǒng)構(gòu)成：

原有供水管網(wǎng)及水泵不變;壓力變送器已用多年，更換，量程1.0Mpa，輸出4～20mA;PLC利用附近已有的S7-1214C的冗余IO口，輸出數(shù)字量通過變頻器（西門子G120）控制水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的。

三、S7-1214C組態(tài)與編程要點(diǎn)

1、模擬量測量輸入：

對于S7-1214C而言，有二路模擬量輸入接口（0～10V），壓力變送器測量輸出的4～20mA信號能很方便地接入，為此，需要增加一個(gè)500Ω電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對應(yīng)信號為2～10V;要將此信號轉(zhuǎn)換為內(nèi)部數(shù)字量信號，為此需要用到標(biāo)定指令SCALE_X，通過將IW64輸入的VALUE值映射到指定的取值范圍（0～27648）來對其進(jìn)行縮放并由OUT輸出該供水壓力信號對應(yīng)的數(shù)字值，用作為PID控制的反饋值。

2、HMI設(shè)定：

HMI觸摸屏運(yùn)行畫面，除模擬顯示外，有電源、啟停、手動(dòng)/自動(dòng)、復(fù)位、泵切換等按鈕，還應(yīng)有供水壓力、各泵運(yùn)行的頻率、時(shí)間、電流、故障報(bào)警等顯示內(nèi)容;由操作員設(shè)置供水壓力控制的設(shè)定值，用于PID控制的設(shè)定值。

3、PID編程、組態(tài)與調(diào)試：

鑒于PID控制的實(shí)時(shí)性要求，必須建立循環(huán)中斷組織塊，循環(huán)時(shí)間初定為300ms，在OB30的工藝指令中，調(diào)用PID-Comact指令快，用于PID編程，該指令框的參數(shù)較多，主要設(shè)置有：Setpoint是自動(dòng)模式下的控制設(shè)定值;Input_PER是供水壓力信號模擬量輸入對應(yīng)的數(shù)字值（即供水壓力實(shí)際值，或稱反饋值）;Output_PER是PID控制的模擬量輸出對應(yīng)的數(shù)字值，用做變頻器控制的速度字。

PID工藝對象組態(tài)：要建立工藝對象，并進(jìn)行PID組態(tài)：在巡視窗口“屬性”設(shè)置，并先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)設(shè)置PID初始參數(shù)。

4、變頻器組態(tài)與參數(shù)設(shè)置：

在TIA博途中，添加驅(qū)動(dòng)SINAMICS G120的控制單元CU240E-2 PN-F，添加功率單元 PM240，修改以太網(wǎng)地址，在網(wǎng)絡(luò)視圖中，將PLC與變頻器用PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接起來。

G120變頻器投入時(shí)，通過TIA博圖軟件調(diào)試G120變頻器;點(diǎn)擊G120設(shè)備下的“調(diào)試”，先將參數(shù)恢復(fù)到出廠設(shè)置，再調(diào)出“調(diào)試向?qū)А?，依次設(shè)置：應(yīng)用等級、設(shè)定值指定、設(shè)定值/指令源的默認(rèn)值、驅(qū)動(dòng)設(shè)置、驅(qū)動(dòng)選件、電機(jī)類型及電機(jī)數(shù)據(jù)、電機(jī)抱閘、重要參數(shù)（電機(jī)參考轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、斜坡上升時(shí)間下降時(shí)間等）。最后按照具體生產(chǎn)工藝需要進(jìn)行功能調(diào)試。

S7-1214C和G120間，采用標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文1方式進(jìn)行通信控制，報(bào)文發(fā)送的兩個(gè)字，第一個(gè)是控制字，第二個(gè)是轉(zhuǎn)速設(shè)定值，即速度字，均為16位二進(jìn)制數(shù)。

5.主程序OB1設(shè)計(jì)

（1）對于單臺泵：

S7-1214C輸出的控制字（16#），實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制，如16#047F，正轉(zhuǎn);16#0C7F，反轉(zhuǎn)，16#047E運(yùn)行準(zhǔn)備和停止等;控制字從QW68輸出，用于控制電動(dòng)機(jī)啟停等運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行方向，

S7-1214C輸出的速度字（0～27648），是經(jīng)過PID控制運(yùn)算后對應(yīng)的控制輸出值，從QW70輸出，通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制泵的流量，進(jìn)而控制供水壓力的高低。

對于G120變頻器而言，轉(zhuǎn)速設(shè)定值的設(shè)置范圍為16#0000至16#4000，16#4000對應(yīng)的十進(jìn)制值為16384，即當(dāng)變頻器設(shè)定值為16384時(shí)，對應(yīng)工頻50Hz（額定轉(zhuǎn)速），此時(shí)泵輸出最大流量。為此，PLC速度字的數(shù)字值（0～27648）與變頻器的數(shù)字值（0～16384）間要做相應(yīng)的數(shù)值處理。

（2）按照既定算法，根據(jù)測量壓力的高低及泵的運(yùn)行時(shí)間，在三臺泵間進(jìn)行切換運(yùn)行作業(yè)，在滿足壓力穩(wěn)定的前提下，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及能效的最大化。

6、系統(tǒng)調(diào)試：

變頻器做好相應(yīng)的設(shè)置后，為獲得最佳的PID參數(shù)，通過PID-Comact指令的調(diào)試窗口進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)試。首先是預(yù)調(diào)節(jié)（確定對輸出值跳變的過程響應(yīng)）：給定一個(gè)設(shè)定值（如Setpoint為40HZ），將START置為1，采樣時(shí)間設(shè)置為0.3s，調(diào)節(jié)模式為“預(yù)調(diào)節(jié)”，啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，完成后，系統(tǒng)確定一套PID運(yùn)行參數(shù)。完成預(yù)調(diào)節(jié)后，可繼續(xù)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，進(jìn)一步修正調(diào)節(jié)PID參數(shù)，具有更好的主控和擾動(dòng)特性，系統(tǒng)自動(dòng)獲得最佳的PID參數(shù)。

四、結(jié)語

經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，供水壓力一直恒定，水壓波動(dòng)在（0.4±0.01）MPa 范圍內(nèi)，得到生產(chǎn)單位的認(rèn)可。此外變頻調(diào)速，使整體的能耗也降低不少，節(jié)能效果十分顯著。再者由變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，即避免了大電機(jī)起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊;也消除頻繁起停造成的水錘效應(yīng);而且泵工作在變頻工況，轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]S7-1200 V4.2系統(tǒng)手冊

[2]SINAMICS G120 控制單元CU240E 操作手冊

[3]SIMATIC HMI ?第二代精簡系列面板 ?操作說明