變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

蒙正麥 岑帥 鐘芳山 姚遠(yuǎn) 夏義江 李先會(huì)

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

蒙正麥1岑帥1鐘芳山1姚遠(yuǎn)2夏義江3李先會(huì)4

（1.廣西百色豐林人造板有限公司，廣西百色 533099 2.河池供電局，廣西 河池 547000 3.北部灣大學(xué)，廣西 欽州 531011 4.西門子能源有限公司，廣西 南寧 530007）

根據(jù)某工廠生產(chǎn)實(shí)際需求，采用物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏，結(jié)合西門子S7-200 SMART系列PLC、G120變頻器，通過Profinet協(xié)議，實(shí)現(xiàn)恒壓供水控制系統(tǒng)的自動(dòng)化改造，并通過物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏自帶的4G端口，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)可降低巡檢人員的工作量，提高工廠設(shè)備的運(yùn)維管理水平。

恒壓供水控制系統(tǒng)；PLC；物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏；變頻調(diào)速

0 引言

隨著《中國(guó)制造2025》和國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策的深入落實(shí)，全國(guó)各行業(yè)都圍繞智能制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行裝備改造和技術(shù)升級(jí)。在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，PLC技術(shù)、變頻器技術(shù)應(yīng)用廣泛，尤其在恒壓供水現(xiàn)場(chǎng)，PLC和變頻器相結(jié)合的應(yīng)用已成為行業(yè)典型技術(shù)方案。隨著人力資源成本的增加，為減少設(shè)備人工巡檢工作量，提高巡檢和設(shè)備運(yùn)維效率，對(duì)設(shè)備管理模式提出了更高要求。為此，本文針對(duì)某工廠的恒壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，采用物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，提高設(shè)備運(yùn)維效率。

1 原系統(tǒng)存在的問題

該工廠原恒壓供水控制系統(tǒng)的生活用水和生產(chǎn)用水均采用星三角啟動(dòng)控制水泵供水，存在供水管網(wǎng)壓力不穩(wěn)、負(fù)荷變化波動(dòng)大、供水響應(yīng)不及時(shí)、人工巡檢效率低等問題。針對(duì)上述問題，本文提出通過增加供水管網(wǎng)壓力，采集流量監(jiān)測(cè)儀表信號(hào)，安裝PLC和變頻器，并在物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的方案。

2 變頻恒壓供水

在供水管網(wǎng)中，用水量是動(dòng)態(tài)變化的，各種負(fù)荷也隨時(shí)間段、工藝生產(chǎn)的需求而隨時(shí)調(diào)整。傳統(tǒng)的供水方式采用水泵恒速運(yùn)行及調(diào)整出口閥門開度的方式調(diào)節(jié)供水的水量水壓，致使大量能量消耗在出口閥而造成浪費(fèi)，而且還存在水池“二次污染”的問題[1]；采用水泵工頻電機(jī)的控制模式，存在水錘效應(yīng)，對(duì)供水管網(wǎng)和閥門都有一定的破壞性。因此，本文采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，實(shí)現(xiàn)某工廠供水系統(tǒng)的恒壓、節(jié)能和安全可靠性。

改造后，恒壓變頻供水部分通過壓力傳感器檢測(cè)水泵出水管網(wǎng)處的水壓，將壓力信號(hào)與給定水壓進(jìn)行比較，再通過PID控制器控制變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的調(diào)速及水泵數(shù)量的增減，從而形成以給定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水[2]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)以PLC為中心控制單元，結(jié)合變頻器與PID，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的。改造后的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)分為3層。

1）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，該工廠的恒壓供水控制系統(tǒng)主要由水泵、管道壓力變送器、變頻器等現(xiàn)場(chǎng)I/O元器件組成。

2）控制級(jí)，以S7-200 SMART PLC為核心控制器，采用現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)可存取性的需求[4]，連接G120模塊化結(jié)構(gòu)變頻器，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水池液位變送器、管道壓力變送器等檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。G120集成了故障安全保護(hù)功能和通用的現(xiàn)場(chǎng)總線通信，具有靈活的通信能力[5]。

3）監(jiān)視和操作級(jí)。海為HMI嵌入式系統(tǒng)是一款運(yùn)行于工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控管理設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)軟件。通過運(yùn)行海為組態(tài)工程，可直觀地觀察工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況；與各種工業(yè)控制設(shè)備進(jìn)行通信；通過采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控[6]。在手機(jī)APP上訪問，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏、PLC、變頻器、壓力變送器、水泵機(jī)組構(gòu)成主要控制結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。安裝在PLC通過PLC的PID整定后，PLC發(fā)出控制信號(hào)給變頻器，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水的PID控制。

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要元器件配置清單如表1所示。

表1 主要元器件配置清單

1） PLC控制器。考慮到原系統(tǒng)中控室采用S7-400系列PLC，改造后的系統(tǒng)選用S7-200 SMART系列PLC。其具有高性能、高集成的特點(diǎn)，可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)PLC與物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏連接，節(jié)約費(fèi)用。

2）變頻器。供水工業(yè)環(huán)境存在潮濕、大量粉塵等特點(diǎn)，要求變頻器具有較高的可靠性和穩(wěn)定性?？紤]到系統(tǒng)規(guī)模和PLC選型，改造后的系統(tǒng)選用G120系列變頻器。它是模塊化結(jié)構(gòu)變頻器，選型時(shí)還需考慮功率單元PM和控制單元CU的配置參數(shù)。

3）自動(dòng)化儀表。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中，自動(dòng)化儀表主要有壓力開關(guān)、壓力變送器、液位變送器等。根據(jù)該系統(tǒng)的控制精度、測(cè)量準(zhǔn)確度及價(jià)格預(yù)算，選用福光百特儀表，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。

4）物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏。在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域中，人機(jī)接口（human machine interface, HMI）觸摸屏作為人與機(jī)械設(shè)備交互的窗口，用于連接各類PLC、傳感器等。傳統(tǒng)的觸摸屏利用組態(tài)軟件完成HMI設(shè)計(jì)，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。由于設(shè)備人工巡檢耗費(fèi)大量的人力資源，且存在數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、無法實(shí)時(shí)記錄等問題。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是一套完整的端到端的工業(yè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)解決方案，為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云[7]。改造后的系統(tǒng)選用CS系列的10寸物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，降低安裝空間和硬件成本，提高運(yùn)維效率。物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏是在普通觸摸屏的基礎(chǔ)上增加了DTU單元，可通過第三方物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過MOXA交換機(jī)，利用工業(yè)以太網(wǎng)連接S7-200 SMART PLC、G120變頻器CU240S-PN、10寸物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏，基于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的連接。

4 變頻恒壓供水控制方案

根據(jù)該工廠實(shí)際用水情況，設(shè)計(jì)控制方案如下：1）現(xiàn)場(chǎng)采用一用一備的水泵配置；

2）水池安裝水池液位變送器，將水池液位高、低位報(bào)警信號(hào)傳給PLC，中控室設(shè)有報(bào)警蜂鳴器；

3）在HMI畫面設(shè)定整個(gè)供水管網(wǎng)壓力閾值不超過壓力設(shè)定值6.5 Bar；

4）根據(jù)供水管網(wǎng)壓力開關(guān)的高、低報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PLC安全信號(hào)連鎖；

5）在手動(dòng)控制模式下，實(shí)現(xiàn)本地按鈕、電位計(jì)連接PLC的AI通道，當(dāng)供水管網(wǎng)壓力超過壓力設(shè)定值時(shí)，立即停止水泵運(yùn)行；

6）在自動(dòng)控制模式下，根據(jù)供水管網(wǎng)壓力設(shè)定值，啟動(dòng)變頻器控制水泵，通過PID控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

5 物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏的畫面設(shè)計(jì)

采用Haiwell SCADA 組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏的HMI畫面設(shè)計(jì)。觸摸屏包括主畫面、實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面、工藝參數(shù)畫面、控制參數(shù)畫面和歷史記錄及報(bào)警畫面等[8]。首先，利用浮球液位變送器檢測(cè)水池的液位，浮球液位計(jì)采集高、低位液位信號(hào)傳給PLC；然后，在水泵出口側(cè)利用壓力傳感器和壓力變送器采集供水管網(wǎng)出水壓力、出水流量并反饋給PLC；最后，由PLC的PID控制器對(duì)供水管網(wǎng)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。變頻恒壓供水監(jiān)控PC界面如圖2所示。

圖2 變頻恒壓供水監(jiān)控PC界面

在變頻恒壓供水監(jiān)控PC界面中，可遠(yuǎn)程控制水泵啟停、監(jiān)控供水管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)、變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)等。也可在手機(jī)APP操作界面，手動(dòng)進(jìn)行上述操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于手機(jī)屏幕較小，APP界面顯示空間有限，目前存在畫面文字疊加、文字框溢出，顯示圖片形變等問題，但是不影響控制效果。

6 結(jié)論

本文利用PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)，對(duì)某工廠恒壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和設(shè)備控制，滿足供水系統(tǒng)的恒壓、穩(wěn)定等需求。通過采用基于IOT的物聯(lián)網(wǎng)型觸摸屏，改善了傳統(tǒng)恒壓供水的日常人工巡檢狀況，提高工作效率，降低運(yùn)維成本，對(duì)行業(yè)應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值和意義。

[1] 張選正.變頻器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

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[5] 孟曉芳,王玨.西門子系列變頻器及其工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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Transformation Design of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply Control System

MENG Zhengmai1CEN Shuai1ZHONG Fangshan1YAO Yuan2XIA Yijiang3LI Xianhui4

（1.Guangxi Baise Fenglin Wood-based Board Co., Ltd. Baise 533099, China 2.Hechi Power Supply Bureau, Hechi 547000, China 3.Beibu Gulf University, Qinzhou 531011, China 4.Siemens Energy Co., Ltd. Nanning 530007, China）

According to the actual production needs of a factory, using the Internet of things touch screen, combined with Siemens S7-200 SMART series PLC and G120 frequency converter, the automatic transformation of the constant pressure water supply control system is realized through Profinet protocol, and the remote monitoring and management of the system by mobile APP is realized through the 4G port of the Internet of things touch screen. The system reduces the workload of inspectors and improves the operation and maintenance management level of factory equipment.

constant pressure water supply control system; PLC; internet of things touch screen; frequency control

TP273

A

1674-2605(2022)02-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.02.008

蒙正麥，男，1985年生，本科，助理工程師，主要研究方向：電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備管理。E-mail: 359931243@qq.com

蒙正麥,岑帥,鐘芳山,等.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程,2022,43(2):45-48.

MENG Zhengmai, CEN Shuai, ZHONG Fangshan, et al. Transformation design of variable frequency constant pressure water supply control system[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(2):45-48.