基于PLC的變頻調速恒壓供水系統的分析

韋云松

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031）

隨著鋁加工工業自動化程度的日益提高，鋁加工生產工藝過程對供水系統的控制要求越來越高。比如在氣墊式連續熱處理等工藝過程中，若生產用水壓力不穩定，造成水流量大小的波動，就會影響鋁板帶的淬火產品品質，流量波動太大時，會使淬火產品報廢。當供水壓力不足，將會影響設備的冷卻器和板式換熱器的冷卻效果，不滿足生產工藝要求，嚴重時可能會造成設備的散熱能力，造成設備損壞。

因此，在鋁加工生產設備采用可編程控制器控制的變頻調速的恒壓供水，為生產高端的航空航天鋁板帶產品的工藝控制奠定了基礎。采用可編程控制器作為核心控制部件，利用VVVF 變頻器控制水泵的轉速，根據設備工藝的用水情況迅速調整供水的壓力波動，達到恒壓供水的目的，提高了生產工藝的工作穩定性。

1 系統硬件設計

變頻調速恒定壓力供水系統硬件如圖1所示，主要由西門子S7-200、ABB的ACS400 變頻器、接觸器、壓力傳感器、水泵等部分組成。控制核心單元為西門子S7-200，內部配備PID控制算法，根據設定的供水壓力信號與安裝在管道上壓力傳感器的反饋信號進行分析、計算和比較，得到管道壓力偏差和偏差的變化率，經由PLC 內部的PID 運算后，PLC 通過Profibus 通訊將控制電機轉速的信號輸出到VVVF變頻器，調節水泵電機的運行速度和水泵的運行數量，根據壓力和流量的大小，控制投入運行的水泵數量，并完成電機的啟動停止、變頻與工頻的切換控制。使生產設備用水的工作壓力穩定。

控制系統配置有帶有WinCC的HP 工作站計算機，西門子S7-200的可編程控制器和ABB 公司的ACS400 變頻器，PLC 配備有模擬量的輸入輸出模塊，結構圖如圖1。

圖1 恒壓供水系統原理圖

循環水泵站采用3臺132 kW的水泵并聯運行，每一臺水泵入口出口設有截止閥，便于維護使用。安裝在出水管道上壓力傳感器，檢測出口冷卻水壓力的大小，并通過壓力變送器將壓力信號轉換成4～20 mA的電信號，輸入到S7-200PLC的模擬量輸入模塊，控制器根據需要的壓力設定值與實際檢測的壓力值進行比例積分微分（PID）運算，通過Profibus 網絡將控制信號發送到變頻器，調節水泵電機的轉速。開始啟動時，一臺水泵在變頻器的控制下穩定加速運行，當變頻器輸出頻率達到50 Hz，電機轉速達到最大時，出水管道壓力仍沒有達到設定壓力時，可編程控制器發出控制信號，自動地將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器啟動第二臺水泵，如壓力仍未達到，則繼續投入第三臺水泵。當外部的生產設備用水量減少時，循環管道中的水壓壓力將會提高，壓力傳感器將會檢測并發送給PLC，通過計算自動降低變頻器的輸出頻率，或減少水泵的運行數量。

根據水泵的揚程流量特性，水泵的轉速和揚程有關，而且當水泵的運行轉速低于一定的數值時，水泵的輸出揚程（壓力）將變得非常小。因此，需要設定變頻器的最小運行頻率，以便水泵輸出足夠的壓力和保護電機，一般變頻器輸出最小頻率設定為15 Hz。

2 系統程序設計

PLC系統程序，主要有水壓的壓力控制程序和電機輪流切換程序，包含水管泄漏、堵塞、電機過流保護等必要程序。

水壓的壓力控制程序，主要是控制循環供水管道中的水壓，保證管道壓力與工藝設定壓力保持一致，通過安裝循環冷卻水管網末端的壓力傳感器檢測測量，通過壓力變送器將壓力信號變成4～20 mA的儀表信號，送入西門子S7-200 模擬量模塊進行模數轉化，得到管道壓力的數字量信號，與通過上位機輸入的壓力設定值進行比較，由CPU 進行比例積分微分PID 運算，得出控制值并通過Profibus 通信發送給變頻器，由變頻器控制水泵電機的轉速，調整水泵的輸出壓力，保證循環冷卻水管道壓力穩定；當生產設備的用水流量加大，超過單臺泵的供水量，通過PLC控制水泵的投入。根據流量及壓力的大小，由PLC控制工作水泵的投入切除和變頻器對水泵電機的額定頻率控制，保證管道壓力穩定。當生產用水負載變化時，變頻器的輸出也跟著變化進而自動調整水泵電機的轉速，構成了以設定壓力恒定為基準的閉環控制系統。

水泵電機切換程序，主要是控制泵站中各臺水泵電機的運行方式，按照一定的規律改變水泵的循環工作，工作泵與變頻泵相互轉換，避免同一個水泵長時間運行，而另一個水泵長時間閑置，保證循環水泵站中各個水泵有相同的運行時間，避免產生備用泵因長期閑置發生銹蝕不能運轉現象。此外，在上位機中，通過Win CC的編程，自動統計各臺水泵的運行時間，便于設備的維護工作。

圖2 電機切換原理

3 變頻器參數設定要點

（1）設定變頻器的啟動、停止采用外部端子信號；

（2）設定變頻器的給定為模擬量輸入；

（3）設定4～20 mA 對應變頻器的0～50 Hz；

（4）定義變頻器的繼電器輸出，即變頻器輸出頻率達到50Hz 時，或頻率下降到10Hz 時，給PLC 發送信號；

（5）設定變頻器的加減速時間。

4 結束語

在廣西南南鋁加工有限公司循環水泵站，采用基于可編程控制的變頻調速恒壓控制方式，給鋁加工生產工藝過程中的穩定性、準確性提供了強有力的保障。實際運行表明，系統投入運行后，生產用水系統運行壓力穩定、調節速度快、控制精度高，為企業生產創造良好的效益。

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