PLC變頻器及上位機的通信在污泥泵控制的應(yīng)用

許乃炎

1 概述

水是人類生活和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要部分，隨著社會科技水平的飛速發(fā)展和城市生活水平的巨大提高，污水排放量日益增多。污水的處理能力大小及排放質(zhì)量好壞已影響到一個城市的發(fā)展，所以對建設(shè)于1998年的龍珠水質(zhì)凈化廠來說，污水設(shè)備更新?lián)Q代和擴(kuò)大規(guī)模已是刻不容緩。汕頭聯(lián)泰水質(zhì)凈化有限公司于2005年10月對龍珠水質(zhì)凈化廠實施一期技改二期擴(kuò)建工程。工程于2008年10月完工并投入運行，污水處理能力已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，排放質(zhì)量也達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。在這個過程中，二期綜合泵房回流污泥泵我們采用 PLC與變頻器及上位機的通信，實現(xiàn)中控室控制，效果明顯。

2 變頻器節(jié)能原理

由水泵的工作原理可知，水泵的流量與電機的轉(zhuǎn)速成正比，水泵的揚程與電機的轉(zhuǎn)速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵的三次方成正比。根據(jù)上述原理可知改變水泵的轉(zhuǎn)速就可改變水泵的功率。

流量基本公式：

其中，Q1、H1、P1—水泵在n1轉(zhuǎn)速時的流量、揚程、功率。

Q2、H2、P2—水泵在n2轉(zhuǎn)速時相似的工況條件下的流量、揚程、功率。

例如，n2比n1降低1/2，則P2/P1=1/8,可見，降低轉(zhuǎn)速大大降低軸功率可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 設(shè)備應(yīng)用的可行性分析

該系統(tǒng)采用羅克韋爾PowerFlex 400交流變頻器對回流污泥泵流量大小進(jìn)行控制，并配合22-COMM-E以太網(wǎng)模板導(dǎo)入工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)與PLC通信就能實現(xiàn)上位機遠(yuǎn)程控制。這樣，控制系統(tǒng)是運用可編程序控制器、計算機網(wǎng)絡(luò)、光纖通信、上位機等先進(jìn)技術(shù)對回流污泥泵進(jìn)行自動控制。該系統(tǒng)具備實時信息自動采集、傳輸、處理入庫、動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽瑢崿F(xiàn)污泥泵控制自動化，從而提高污水廠設(shè)備的運行管理水平。

3.1 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)采用光纖連接工業(yè)以太網(wǎng)，如圖1：

圖1 二期工程環(huán)網(wǎng)光纖接線圖

在圖1中，變頻器（20）、變頻器（21）是我所要表述的設(shè)備，22-COMM-E以太網(wǎng)模板排線與變頻器CPU控制板通信插口連接，再通過網(wǎng)絡(luò)線與工業(yè)以太網(wǎng)交換機通信接口進(jìn)行連接，交換機通信接口通過網(wǎng)絡(luò)線與再與PLC以太網(wǎng)通訊模板進(jìn)行連接通信。

3.2 上位機

上位機主要由硬件和軟件構(gòu)成，硬件為2臺工業(yè)控制計算機及 1臺打印機組成。軟件包括操作系統(tǒng)WindowsXP和Rsview32軟件開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控畫面如圖2所示。

圖2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)圖

4 設(shè)備控制工作原理

以四臺回流污泥泵組構(gòu)成二期綜合泵房回流污泥循環(huán)控制系統(tǒng)，管網(wǎng)來自兩個二沉池虹吸起來的污泥流入的綜合泵房泵坑，少部分污泥通過剩余污泥泵泵入濃縮池由脫水離心機處理，大部分通過回流污泥泵泵入生化池重新處理，處理完后變成清水流入二沉池，清水中夾雜著污泥，污泥再次在二沉池池底沉積，再通過虹吸管道系統(tǒng)吸起來后進(jìn)入集泥井流入管網(wǎng)來到泵房泵坑。這樣，就可以根據(jù)污泥濃度在中控室上位機對四臺回流污泥泵流量進(jìn)行控制，從而滿足污水處理工藝要求。

4.1 接線圖

接線圖如圖3所示。

4.2 變頻器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置

（1）、基本編程參數(shù)如表1所示（未描述的參數(shù)采用缺省值）。

（2）、高級編程參數(shù)如表2所示。

（3）、端子組參數(shù)如表3所示。

（4）、變頻器I/O控制電路圖，如圖4所示。

5 變頻器I/O分配控制分析及其控制模式

5.1 就地/遠(yuǎn)程啟停

當(dāng)SH位于就地位置時，通過端子02，11實現(xiàn)現(xiàn)場手動啟停。當(dāng)SH位于遠(yuǎn)程位置時，通過端子08，11實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊啟停。

圖3 變頻器I/O模板連接圖

表1 基本編程參數(shù)

表2 高級編程參數(shù)

表3 端子組參數(shù)

圖4 變頻器I/O接線圖

5.2 故障保護(hù)和復(fù)位

當(dāng)潛水泵內(nèi)部進(jìn)水或定子線圈溫度高無法啟動時，通過端子05，11斷開實現(xiàn)故障保護(hù)。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，可以通過端子07，11實現(xiàn)故障復(fù)位。

5.3 頻率輸出

通過端子15，18輸出頻率，0V～10V，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速顯示。

5.4 現(xiàn)場手動調(diào)速

通過端子12，13，14連接旋轉(zhuǎn)電位器，實現(xiàn)手動調(diào)速。

5.5 狀態(tài)輸出

端子R1，R2輸出故障狀態(tài)；端子R4，R5輸出運行狀態(tài)。

5.6 就地狀態(tài)監(jiān)視

通過端子15，18輸出到轉(zhuǎn)速表可以監(jiān)視電動機轉(zhuǎn)速；

通過端子R1，R2輸出故障狀態(tài)到指示燈顯示；

通過端子R4，R5輸出運行狀態(tài)到指示燈顯示。

5.7 就地控制輸入

通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SH置于就地模式實現(xiàn)就地控制；

當(dāng)置于就地模式時，通過KA1閉合輸入到端子02，11實現(xiàn)就地起動；

通過旋轉(zhuǎn)電位器輸入到端子 12，13，14給定頻率；通過潛水泵故障繼電器K4常閉觸點輸入到端子05，11實現(xiàn)故障保護(hù)；通過SA輸入到端子07，11實現(xiàn)故障復(fù)位。

5.8 PLC實現(xiàn)控制

當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SH置于遠(yuǎn)程模式時，由遠(yuǎn)程上位機通過。

6 ABPLC添加變頻器硬件配置與標(biāo)簽說明

6.1 PLC硬件配置

在 RSLogix 5000的硬件配置中，添加變頻器PowerFlex 400-E，如圖5所示。

圖5 添加變頻器硬件配置圖

在Port Configuration選項卡中進(jìn)行設(shè)置，此時，硬件設(shè)置完成。

6.2 輸入標(biāo)簽說明

硬件配置完成后，點擊Controller Tags，在標(biāo)簽列表中，出現(xiàn)變頻器標(biāo)簽，因為我們在硬件配置中給變頻器取名為PF1，所以下列用于監(jiān)視變頻器狀態(tài)的輸入標(biāo)簽如表4所示。

這里詳細(xì)說明一下以上輸入標(biāo)簽的含義：

PF1:I.XXXX 說明：PF1（變頻器名）；I（輸入）；XXXX（標(biāo)簽名）

PF1:I.Ready 就緒狀態(tài)

PF1:I.Active 運行狀態(tài)

PF1:I.CommandDir 命令方向(0為反轉(zhuǎn)1為正轉(zhuǎn))

PF1:I.ActualDir 實際方向(0為反轉(zhuǎn) 1為正轉(zhuǎn))

PF1:I.Accelerating 加速狀態(tài)

PF1:I.Decelerating 減速狀態(tài)

PF1:I.Alarm 報警，變頻器次要故障

PF1:I.Faulted 故障，變頻器主要故障PF1:I.OutputFreq 反饋頻率0Hz ～50Hz

表4 輸入標(biāo)簽

6.3 輸出標(biāo)簽說明

表5是變頻器輸出標(biāo)簽，用于控制變頻器運行。

表5 輸出標(biāo)簽

這里詳細(xì)說明一下以上輸出標(biāo)簽的含義：

PF1:I.XXXX 說明：PF1（變頻器名）；O（輸出）；XXXX（標(biāo)簽名）

PF1:O.Stop 停止命令

PF1:O.Start 啟動命令

PF1:O.Jog 點動命令

PF1:O.ClearFaults 清除故障

PF1:O.LocalControl 就地控制

PF1:O.FreqCommand 頻率對應(yīng)0Hz ～50Hz

7 上位機軟件編程設(shè)計

在 PLC控制的變頻器編程過程中，我們對上位機界面增加回流污泥泵控制窗口的設(shè)計和編程工作。主要使用組態(tài)軟件完成。美國羅克韋爾 AB公司為Logix5000系列PLC定制了自己的上位機組態(tài)軟件：RSVIEW32。利用RSVIEW32可以很方便的完成監(jiān)控畫面的繪制、上位機組態(tài)等工作，通過對參數(shù)修改的權(quán)限設(shè)定，對污泥處理工藝的安全性得到有效的保證。這里對使用 RSVIEW32組態(tài)軟件的組態(tài)方法不作詳細(xì)的闡述，圖6為回流污泥泵監(jiān)控畫面。

圖6 回流污泥泵上位機監(jiān)控界面

8 PLC、變頻器、上位機三者通信

PC配置IP地址。用網(wǎng)絡(luò)線將PC通信接口與任意一臺工業(yè)交換機通信接口接上，在PC桌面上打開本地連接，選擇本地連接屬性的TCP/IP，進(jìn)行PC的IP地址配置，輸入各站IP地址。打開羅克韋爾通信軟件 RSLing，選擇以太網(wǎng)控制器，輸入各 PLC、變頻器、上位機的IP地址，出現(xiàn)IP地址與各站相對應(yīng)通信模塊型號通信已連接，如圖7所示。

圖7 各站點與PLC通信圖

打開RSLogix 5000軟件，確認(rèn)PLC路徑正確，進(jìn)行聯(lián)機。聯(lián)機后就可以對 PLC程序進(jìn)行寫出、讀入、修改及監(jiān)控。上位機通信也是建立在RSLing平臺上，根據(jù)自控工程師權(quán)限解除密碼后，進(jìn)入圖面對應(yīng)設(shè)置軟元件標(biāo)簽，確認(rèn)標(biāo)簽與圖面形狀內(nèi)容是否正確，并進(jìn)行測試，確定正常無誤后，用鍵盤輸入各種控制參數(shù)，用鼠標(biāo)作為設(shè)備各種控制模式操作軟按鈕，進(jìn)一步確認(rèn)與現(xiàn)場設(shè)備控制是否正確，發(fā)現(xiàn)問題及時修正。在PLC、變頻器、上位機三者完美結(jié)合的通信中，PLC起到了承上啟下、左右貫通的作用。

9 結(jié)束語

二期綜合泵房回流污泥泵的 PLC與變頻器及上位機的通信在污泥泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，改善了工藝；維護(hù)量減少；工作強度降低；減少了對電網(wǎng)的沖擊；節(jié)能與自控效果良好。大大改善了污水處理生產(chǎn)條件、凈水排放及現(xiàn)場環(huán)境，完全達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求，這對于提高污水廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高自動化、提高效益、節(jié)約電能、技術(shù)創(chuàng)新，都具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，值得其它污水廠借鑒推廣。

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[3] 馬小亮.大功率風(fēng)機,泵節(jié)能調(diào)速發(fā)展方向探討[J].電氣傳動,1999[1].

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[6] 羅克韋爾PowerFlex 400變頻器用戶手冊.

[7] 羅克韋爾22-COMM-E以太網(wǎng)模板用戶手冊.