雙罐恒壓供水電氣系統的設計

李 威，梁沃軍

（中山市技師學院電氣應用系，廣東中山 528403）

1 項目提出

某公司要對冷凍車間的關鍵生產設備進行升級改造和換代，冷凍車間新購置的核心設備必須使用恒壓供水，供水壓力的穩定性直接影響產品的質量，如果出現斷水，則會導致當前批次產品報廢，因此在設計時必須認真考慮。冷凍車間位于1樓，需要0.25 MPa的穩定水源，雙水罐供水點與冷凍車間用水設備距離50 m。控制系統要求可以在現場和200 m以外的3樓中控室都可以進行監視和控制，如何實現兩地控制，則是本項目電氣設計的難點所在。

2 項目方案

2.1 供水管網與控制系統構成

圖1是雙罐變頻恒壓供水系統流程圖，其內容有1號、2號儲水罐；水管、水泵、閘閥、氣動閥、水流方向；2路液位計和1路壓力傳感器檢測位置；控制電柜需處理的信號類型和數量（開關量和模擬量）；PLC、A/D模擬量模塊、變頻器的控制組成；MCGS昆侖通態觸摸屏安裝地點（位于車間三樓的中央控制室）；組態屏與PLC的通信方式和距離等。由于冷凍車間需要的水源壓力比較嚴格，而且不能有斷水出現，否則會導致在線生產中的整批產品報廢，因此，采用雙儲水罐恒壓輪換供水的方式，水管布局也做了相應設計。雙儲水罐的供水來自取水點分支管道2，罐1或2進水則由PLC驅動氣動閥2、4實現，閘閥1、2是在儲水罐裝有水但需要更換氣動閥1、3或水泵時使用，使用哪個儲水罐的水對冷凍車間進行變頻恒壓供水，則由PLC驅動氣動閥1、3決定，儲水罐的容積是根據管道2沒水供應，但必須能使冷凍車間設備順利加工完當前批次產品的最少儲水量計算（按單罐加適當余量計算）。每個儲水罐的尺寸最后確定為直徑1.5 m，高度為2.5 m，水泵2供水給50 m外的冷凍車間，且壓力保持0.25 MPa，泵的參數為：流量Q=23 m3/h、揚程H=35 m、電機額定功率P=4 kW、轉速n=2 900 r/min。

圖1 雙罐變頻恒壓供水系統流程圖

2.2 控制要求

冷凍車間變頻恒壓供水的現場控制電柜只設自動模式，有啟動、停止，消除報警按鈕，信號輸出則由電源黃色指示燈、運行綠色指示燈、故障紅色指示燈、故障聲光報警器等組成，起現場警示作用。遠在200 m外的三樓生產總控室必須有冷凍車間變頻恒壓供水的運行工況監視，也能遠距離操作，現場不能修改的運行參數都可以在總控室實現。

電氣系統需完成三部分控制：（1）由PLC，A/D模擬量模塊，液位傳感器1、2，氣動閥1、2、3、4組成的水罐液位檢測和進、出水控制；（2）由PLC、A/D模擬量模塊、變頻器、壓力傳感器組成的一路PID閉環控制，使冷凍車間的用水設備得到嚴格恒定的0.25 MPa水源；（3）三樓中控室的組態屏上可修改PID參數，顯示變頻器當前運行參數，水罐的水位，氣動閥狀態等，也就是必須準確、真實地實現系統的過程監視和控制。

3 硬件和軟件資源準備

3.1 控制核心部件選型

PID運算的精度、穩定、可靠是本項目成敗的關鍵，因此，選擇PLC時重點就在PID運算的選擇上，綜合歐美、日系等兩大流派各廠家品牌PLC考慮，應以西門子S7-200較為合適，它擁有數據運算能力強，精度高，PID控制編程時可模塊化和標準化，容易調試等眾多優點，價格也合適。結合項目實際需要，PLC選擇：S7-200 CPU 224 AD/DC/RLY；模擬量模塊為：EM235 AI4/AQ1x12Bit[1]。

3.2 傳感器的選擇

壓力傳感器是PID閉環控制的關鍵器件之一，它是反映被控制的物理量的實際數值，即反饋值，它必須準確、可靠地達到所需精度要求等。這里選擇了北京中天科技有限公司赫斯曼插頭型GB-3000A(G)壓力變送器如圖2，接口規格：M20×1.5 mm，輸出：4～20 mA，量程：0～1 MPa；精度等級：0.2級[2]。

圖2 GB-3000A壓力變送器

儲水罐的水位測量則由投入式液位變送器實現，只有這種類型的傳感器才能對密封罐的液位實現過程監視，它具有安裝便捷，維修簡單，能實時準確地探測密封罐液位的變化，并在組態屏上用數據和生動的組態畫面表現出來。GB-2100A液位變送器(如圖3)，參數選擇為：精度等級：0.1級，量程：0～5 m，輸出：4～20 mA，介質：淡水，線長：10 m[3]。

3.3 變頻器和組態屏的選擇

西門子公司的MICROMASTER420[4]是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。它具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，具有全面而完善的保護功能，用戶界面友好，安裝、操作和控制靈活方便。因此，本工程驅動水泵2電動機的變頻器選擇MM420系列；貨號：6SE6420-2UD24-0BA1；

使用電壓：380 V；輸出功率：4 kW。

圖3 GB-2100A壓力變送器

北京昆侖通態MCGSTpc7062K[5]使用的是MCGS嵌入版組態軟件，它通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。MCGS帶有豐富、生動的多媒體畫面，它以圖像、圖符、報表、曲線等多種形式，為操作員及時提供系統運行中的狀態、品質及異常報警等相關信息；用大小變化、顏色改變、明暗閃爍、移動翻轉等多種手段，增強畫面的動態顯示效果；MCGSTpc7062K擁有豐富的資源但不到千元的價格，完全是一款名符其實的高性價比觸摸屏。

4 項目實施

4.1 變頻器接線圖

由于本變頻恒壓供水控制只有自動運行模式，因此，主線路只需給變頻器和電機供電，其接線圖如圖4[4,6]。

圖4 變頻器接線圖

4.2 PLC控制線路I/O分配圖

圖5 是冷凍車間變頻恒壓供水系統PLC的I/O分配圖[1,6]。它的控制組成有：（1）壓力傳感器、PLC、A/D模擬量模塊、變頻器所組成的PID閉環控制；（2）現場控制所需要的按鈕、信號、執行機構驅動等開關量的處理，包括有4個輸入量：啟動、停止、報警消音、變頻器故障，9個輸出量：運行指示、故障指示、故障聲光報警、變頻器啟動、變頻器故障復位、氣動閥1、2、3、4；（3）2支投入式液位計、PLC、A/D模擬量模塊組成的水位檢測。由于EM235模塊的要求，模擬量的輸入端必須統一使用電流或電壓輸入，不能混用，必須正確設定SW1～SW6，本工程的壓力傳感器、投入式液位計均使用4～20 mA標準方式傳送，采用電流傳輸比電壓傳輸更能抗干擾和傳送更遠距離。

5 軟件設計

5.1 PLC編程

冷凍車間變頻恒壓供水系統PLC控制程序由1個主程序（OB1）、3個子程序(SBR0、SBR1、SBR2)和1個時間中斷程序(INT0)組成[7]。下面就簡要介紹PLC各個程序模塊的功能（由于文章篇幅所限，本項目的PLC程序省略）。

圖5 冷凍車間PLC控制線路I/O分配圖

5.1.1 主程序設計[7]

主程序需完成的功能有：調用初始化PID回路參數子程序SBR0；調用出水口壓力計算、變頻器輸入電壓及運行頻率計算子程序SBR1；調用1號和2號罐液位計算SBR2；能實現啟動、停止、運行指示、變頻器故障鎖定、變頻器聲光報警、變頻器故障復位、1號水罐水位判斷、2號水罐水位判斷、組態畫面元素的動畫顯示和報警等。最重要的是能實現1號、2號儲水罐的輪換進水和供水，它用步進階梯指令進行編寫，由狀態元件S0.0至S0.5完成。

5.1.2 子程序設計[7]

子程序包含三個，子程序SBR0實現對PID環路表數值的初始化，調用時間中斷程序INT0；子程序SBR1是把壓力傳感器的檢測值換算為水壓壓力值，單位為MPa，也把PID運算后的AQW0輸出值換算為驅動變頻器的電壓值和變頻器的頻率值(按0～50 Hz計算)；子程序SBR2是把1號和2號儲水罐中由投入式液位計檢測出來的值換算成液位高度，單位為m。5.1.3中斷程序設計[7]

時間中斷程序INT0能實現AIW0（A路模擬量輸入值）標準化轉換后，作為PID運算環路的檢測標準值存于VD500，然后進行PID運算，最后把PID運算后的標準輸出值，通過數值類型轉化成模擬量輸出格式值，再從EM235模塊的AWQ0輸出電壓控制變頻器的運轉頻率。

5.2 MCGSTpc7062K組態畫面設計[5]

Tpc7062K有兩個串行通信口，規格和特點如表1，本項目的現場控制電柜與中控室相隔200 m以上，因此，PLC與Tpc7062K之間必須采用RS485通信，通信電纜制作如圖6。

表1 通信口規格及特點

圖6 PLC與Tpc通信線

圖7 恒壓供水系統組態畫面

圖7 是冷凍車間恒壓供水系統組態畫面，組態屏是置于三樓的中控室，它可以實現系統啟動、停止；設定運行水壓；顯示實時水壓值；PID關鍵參數修改；顯示變頻器控制電壓；顯示變頻器運行頻率等。同時它還必須有反映兩個儲水罐運行工況的動態畫面和數據，其中就包括：可以設定兩個儲水罐的上、下限水位，顯示兩個儲水罐水位的實時高度，既有動畫也有數據，4個氣動閥的通斷狀態，水泵的通斷狀態，水流動的動畫等。

6 結束語

恒壓供水方案雖多種多樣，但會因不同場合而定。設計者需根據具體項目選擇合適的恒壓供水方案，而不是盲目追求配置高端、系統復雜等不一定適合的方案，這都要在設計時充分考慮。本工程的管網和電氣控制設計，滿足了雙儲水罐輪換恒壓供水而同時又需要在相隔較遠的兩地控制的要求。系統投入實際使用以來，運行可靠、靈活、經濟，成功地解決生產的關鍵問題，穩定了產品質量，降低了人力成本。

［1］Siemens AG.S7-200可編程控制器系統手冊［Z］.2002.

［2］北京中天科技有限公司.GB-3000A（G）壓力變送器使用說明書［Z］.2009.

［3］北京中天科技有限公司.GB-2100A液位變送器使用說明書［Z］.2009.

［4］Siemens AG.MICROMASTER 420使用大全用戶手冊［Z］.2001.

［5］北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司.MCGS嵌入版說明書［Z］.2011.

［6］中華人民共和國國家標準局.電氣制圖［M］.北京：中國標準出版社，1987.

［7］張運剛.西門子S7-200 PLC技術與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.