二級泵房變頻恒壓供水系統設計

陳長生

摘 要：本文主要介紹了采用西門子300PLC控制器作為主要控制單元，利用DP網絡協議建立同英威騰IPE200變頻器的網絡通訊，實現對變頻器啟停控制及電流、電壓、轉速、頻率等數據的實時采集，通過上位機WINCC畫面的恒壓設定操作及對系統工藝數據的實時監控，從而完成泉州閩光鋼鐵有限責任公司動力廠二級泵房變頻恒壓供水系統的設計以及應用。

關鍵詞：PLC；DP；變頻器；恒壓

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0108-02

0 引言

泉州閩光鋼鐵有限責任公司動力廠二級泵房是為整個公司提供生產和設備用水所需，因此供水壓力是否穩定和設備能否正常運行關系到整個公司的生產。而二級泵房現有的設備控制模式為機旁手動控制水泵的啟停且為工頻不可調整，水泵出水壓力和流量大小的控制只能通過出口管上的手動蝶閥調整，這種控制模式不但不利于生產的運行而且增加了能耗成本。為此設計了一套既能滿足生產工藝要求又能節能降耗的恒壓供水系統。

1 系統總體設計方案

1.1 電機設備參數

二級泵房有水泵電機四臺，其中220KW電機兩臺一用一備，編號為3#水泵電機和4#水泵電機；280KW電機兩臺也是一用一備編號為1#水泵電機和2#水泵電機，電氣上原采用軟啟動器控制。

3#和4#水泵電機參數：額定轉速：1490r/m，額定頻率：50HZ，額定電壓：380V，額定電流：395A，額定功率：220KW，功率因素：0.87。

1#和2#水泵電機參數：額定轉速：1490r/m，額定頻率：50HZ，額定電壓：380V，額定電流：493A，額定功率：280KW，功率因素：0.9。

1.2 設計方案

（1）新增兩面變頻控制柜用于改造2#水泵電機（280KW）和3#水泵電機（220KW），同時新增兩面變頻操作箱用于機旁變頻調速控制，4#水泵電機（220KW）和1#水泵電機（280KW）則保留原有的軟啟動器控制，但電氣控制回路增加遠程PLC控制，變頻器設備選用英威騰IPE200；（2）新增五臺智能式電動調節閥，其中四臺為水泵出口電動調節閥用于更換出口管手動蝶閥，另一臺為水池補水電動調節閥，五臺電動調節閥具備遠程和就地控制功能；（3）新增一套控制系統，控制系統選用西門子S7-300PLC系列，采用STEP-7 V5.5系統編程軟件，用于信號的采集處理和PID壓力閉環調節輸出；（4）新增一套上位機系統，監控畫面使用西門子WINCC 6.2軟件開發，便于工藝人員的對設備監控和操作；（5）PLC與變頻器之間采用DP網絡通訊以保證控制的及時性和準確性[1]。

2 PLC編程及控制

2.1 PLC控制系統的硬件組態結構

由于PLC同英威騰IPE200變頻器采用PROFIBUS通訊網絡控制，因此在硬件組態中應先安裝英威騰IPE200變頻器的GSD文件（INVTV1.1DP.GSD），安裝好后會在目錄表中生成INVT文件夾，文件夾下含有INVT-6SE70從站。接著建立PROFIBUS網絡，選中PROFIBUS網絡插入英威騰IPE200變頻器從站，接著在從站下插入通訊所需要的用戶數據這里為PPO4類型，即6個控制字[2]。硬件組態結構見圖1所示。

2.2 設計功能

根據工藝要求設計滿足要求的控制邏輯：（1）采用FB41連續控制功能塊的PI調節功能。由于出口壓力變送器的安裝距離水泵出口較近，因此水泵轉速的變化能夠在較短時間內引起壓力檢測點的變化，所以采用PI控制功能即比例和積分控制功能就能夠滿足工藝控制要求。（2）設計獨立的手動控制和自動控制功能。畫面增加手/自動切換按鈕，其變量接入FB41連續控制功能塊的MAN_ON參數。切換為手動控制時，通過在畫面實時輸入頻率值從而達到改變水泵電機轉速的目的；切換為自動控制時，只需要設定水泵出口壓力就行，其中設定值來自畫面的水泵出口壓力設定，反饋值來自現場水泵出口的壓力變送器檢測值。（3）具有手/自動無擾切換功能。當采取手動控制模式時，程序通過實時采集出口壓力值，并把實時壓力值傳送給PID功能塊中的SP_INT（恒壓設定值）；當采取自動控制模式時，程序通過采集PID實時輸出的數值，并轉換成對應的頻率值，傳送給PID功能塊中的MAN給定值。通過增加這部分的控制邏輯后，保證了設備在手動與自動之間的無擾動切換。（4）具有通訊故障報警功能。一旦通訊中斷，系統就會發出聲光報警提醒操作人員把自動模式切換成電氣手動控制模式，盡可能的保證公司生產用水不受影響。（5）設計有輸出調節限幅功能。設置控制輸出的上下限：上限不超過50HZ，是為了控制調節輸出不超過設備的額定頻率50HZ；下限不低于25HZ，因為調節頻率過低會導致水泵無法出力，電機空轉，影響公司生產用水的供應。

2.3 連續控制功能塊FB41調試

（1）選擇合適的采樣周期時間。采樣周期時間即PID中的CYCLE越小，采樣值也就越能反映模擬量反饋值的變化情況，但是值太小不但會增加CUP運算的工作量，同時瞬時擾動的模擬量數值也會被采集到并參與到PID運算調節中，導致調節輸出的不穩定，因此根據現場實際調試設定采樣周期時間為2秒。

（2）合理的設置比例增益及積分時間參數。根據調節原理：如果比例增益太小，輸出量變化就緩慢，調節時間過長；如果比例增益過大，系統容易超調，產生振蕩，調節時間加長導致系統不穩定；而積分作用主要是消除誤差，只要有誤差存在積分就會起作用，積分時間越小，積分作用越強，反之積分時間越大，則系統的滯后性也就越明顯。現場調試時，一般先把積分時間調大，慢慢嘗試調整比例增益在一個合理的數值，觀察系統能否穩定，如果輸出能穩定不會上下振蕩，則再一點點的縮小積分時間常數，直到系統穩定得到一個最佳的積分值，使系統具備穩定性、快速性和準確性。由于現場電機參數不一樣因此2#水泵電機的比例增益設為0.008，積分設為8秒，3#水泵電機的比例增益設為0.01，積分設為6秒。

（3）設置有效的死區參數。為保證變頻器不頻繁動作調節，在PID功能塊中設置了死區寬度，死區寬度均為0.025，即現場壓力值在正負偏差0.025的范圍內，PID控制器認為無偏差，保持原有的控制輸出。

PID程序如下：

CALL “CONT_C” ， “insdance_db10”

COM_RST ：=

MAN_ON ：=”2#變頻畫面選手動”

PVPER_ON：=FALSE

P_SEL ：=TRUE

I_SEL ：=TRUE

INT_HOLD：=FALSE

I_ITL_ON：=FALSE

D_SEL ：=FALSE

CYCLE ：=T#2S

SP_INT ：=”HMI_SET”.DB_VAR4

PV_IN ：=”INPUT_AI”.DB_VAR4

PV_PER ：=

MAN ：=MD300

GAIN ：=8.000000e-003

TI ：=T#8S

TD ：=

TM_LAG ：=

DEADB_W ：=2.500000e-002

LMN_HLM ：=

LMN_LLM ：=

PV_FAC ：=

PV_OFF ：=

LMN_FAC ：=

LMN_OFF ：=

I_ITLVAL：=

DISV ：=

LMN ：=”HMI_SET”.DB_VAR17

LMN_PER ：=

QLMN_HLM：=

QLMN_LLM：=

LMN_P ：=

LMN_I ：=

LMN_D ：=

PV ：=

ER ：=

3 變頻器控制設置

3.1 變頻器控制設計

變頻器控制采用手動和自動兩套獨立的控制模式，相同的是變頻器手動與自動的運行指令通道為端子指令通道，不同的是手動控制的頻率給定為機旁操作箱的電位器給定，而自動控制的頻率給定為profibus通訊設定；同時在電氣回路上變頻器設置有手/自動選擇信號輸入、啟動信號輸入、故障信號輸出、運行信號輸出、運行頻率輸出及電流輸出[3]。根據要求設計變頻器電氣控制圖，如下圖2所示。

3.2 變頻器主要參數設置

P0.0=2（V/F控制）、P0.1=1（指令通道為端子）、P0.3=1（A頻率采用模擬量AI1設定）、P0.4=8（B頻率采用PROFIBUS通訊設定）、P2.0=0（異步電動機）、P2.1=280（額定功率280KW）、P2.2=50（額定頻率50HZ）、P2.3=1490（額定轉速1490RPM）、P2.4=380（電機額定電壓380V）、P2.5 =493（電機額定電流493A）、P5.02=1（S1端子功能選擇正轉運行）、P5.03=13（S2端子功能選擇A頻率設定與B頻率設定切換）、Pd.01=4（PROFIBUS通訊地址為4）、Pd.02=1（變頻器PZD2接收字為速度給定）、Pd.13=1（變頻器PZD2發送字為運行頻率）、Pd.14=5（變頻器PZD3發送字為輸出電流）、Pd.15=2（變頻器PZD4發送字為輸出轉速）、Pd.16=3（變頻器PZD5發送字為母線電壓）、Pd.17=9（變頻器PZD6發送字為故障代碼）。

3.3 變頻器通訊數值的程序轉換

通過設置變頻器通訊參數，獲取變頻器的運行頻率、輸出電流、輸出轉速、變頻器中間回路母線電壓、故障代碼等。頻率為通訊讀取的數值除以100即為輸出頻率實時值；通訊讀取的電流、母線電壓數值除以10即為所需要的實時電流值和母線電壓值；讀取的實時轉速不需要轉換即為所需的實時轉速值。通訊頻率給定值的轉換為程序的頻率設定值乘以20即為變頻器頻率設定值（因為變頻器內部0到1000對應0到50HZ）。

4 結語

二級泵房變頻恒壓供水系統自投入使用以來，一方面保障了公司生產用水的連續性和穩定性；另一方面降低了設備的故障率，減少了檢修維護人員的工作量，同時采用恒壓控制不但減輕了生產人員的工作強度，并且在節約生產用電方面起到了一定的節能效果。

參考文獻

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].機械工業出版社，2005.

[2] 崔堅.西門子工業網絡通信指南[M].機械工業出版社，2005.

[3] 劉祖潤.自動控制原理[M].機械工業出版社，2000.