基于PLC與變頻器實現工廠恒壓供水系統改造

廖若峰

摘要：工廠原先采用傳統的供水方式，因為水壓不能保持恒定，導致部分設備不能穩定正常工作。改造后的恒壓供水系統采用壓力傳感器、西門子PLC S7-1214C和變頻器G120作為中心控制裝置，根據供水壓力的高低，PLC經過PID運算，通過控制字與速度字去改變變頻器運行頻率，從而調節供水泵的轉速，確保供水水壓持續恒定。

關鍵詞：PLC;變頻器;壓力模擬量;PID控制，恒壓控制

一、引言：

工廠原有供水系統，根據壓力高低，通過繼電控制3臺水泵供水，存在問題是，故障率較高，壓力不穩定，導致部分設備無法穩定正常工作。

設備改造方案是采用壓力變送器測量用水壓力，由PLC通過變頻器控制三臺水泵的運行：（1）三臺泵中，一臺水泵工頻運行，不調控，另外二臺泵由PLC根據測量壓力的高低，通過變頻器控制水泵轉速，進而控制供水流量，使供水和用水之間保持平衡。（2）設置時間管控：某臺水泵運行12個小時后，自動切換到另外一臺水泵運行;（3）通過觸摸屏人為改變供水壓力設定值，并與PLC程序關聯，此外還設置手動控制模式以及故障處理模式。

二、系統構成：

原有供水管網及水泵不變;壓力變送器已用多年，更換，量程1.0Mpa，輸出4～20mA;PLC利用附近已有的S7-1214C的冗余IO口，輸出數字量通過變頻器（西門子G120）控制水泵轉速，達到恒壓供水的目的。

三、S7-1214C組態與編程要點

1、模擬量測量輸入：

對于S7-1214C而言，有二路模擬量輸入接口（0～10V），壓力變送器測量輸出的4～20mA信號能很方便地接入，為此，需要增加一個500Ω電阻進行轉換，對應信號為2～10V;要將此信號轉換為內部數字量信號，為此需要用到標定指令SCALE_X，通過將IW64輸入的VALUE值映射到指定的取值范圍（0～27648）來對其進行縮放并由OUT輸出該供水壓力信號對應的數字值，用作為PID控制的反饋值。

2、HMI設定：

HMI觸摸屏運行畫面，除模擬顯示外，有電源、啟停、手動/自動、復位、泵切換等按鈕，還應有供水壓力、各泵運行的頻率、時間、電流、故障報警等顯示內容;由操作員設置供水壓力控制的設定值，用于PID控制的設定值。

3、PID編程、組態與調試：

鑒于PID控制的實時性要求，必須建立循環中斷組織塊，循環時間初定為300ms，在OB30的工藝指令中，調用PID-Comact指令快，用于PID編程，該指令框的參數較多，主要設置有：Setpoint是自動模式下的控制設定值;Input_PER是供水壓力信號模擬量輸入對應的數字值（即供水壓力實際值，或稱反饋值）;Output_PER是PID控制的模擬量輸出對應的數字值，用做變頻器控制的速度字。

PID工藝對象組態：要建立工藝對象，并進行PID組態：在巡視窗口“屬性”設置，并先根據經驗手動設置PID初始參數。

4、變頻器組態與參數設置：

在TIA博途中，添加驅動SINAMICS G120的控制單元CU240E-2 PN-F，添加功率單元 PM240，修改以太網地址，在網絡視圖中，將PLC與變頻器用PROFINET網絡連接起來。

G120變頻器投入時，通過TIA博圖軟件調試G120變頻器;點擊G120設備下的“調試”，先將參數恢復到出廠設置，再調出“調試向導”，依次設置：應用等級、設定值指定、設定值/指令源的默認值、驅動設置、驅動選件、電機類型及電機數據、電機抱閘、重要參數（電機參考轉速、最大轉速、斜坡上升時間下降時間等）。最后按照具體生產工藝需要進行功能調試。

S7-1214C和G120間，采用標準報文1方式進行通信控制，報文發送的兩個字，第一個是控制字，第二個是轉速設定值，即速度字，均為16位二進制數。

5.主程序OB1設計

（1）對于單臺泵：

S7-1214C輸出的控制字（16#），實現對變頻器的控制，如16#047F，正轉;16#0C7F，反轉，16#047E運行準備和停止等;控制字從QW68輸出，用于控制電動機啟停等運行狀態和運行方向，

S7-1214C輸出的速度字（0～27648），是經過PID控制運算后對應的控制輸出值，從QW70輸出，通過變頻器控制電機的轉速，從而控制泵的流量，進而控制供水壓力的高低。

對于G120變頻器而言，轉速設定值的設置范圍為16#0000至16#4000，16#4000對應的十進制值為16384，即當變頻器設定值為16384時，對應工頻50Hz（額定轉速），此時泵輸出最大流量。為此，PLC速度字的數字值（0～27648）與變頻器的數字值（0～16384）間要做相應的數值處理。

（2）按照既定算法，根據測量壓力的高低及泵的運行時間，在三臺泵間進行切換運行作業，在滿足壓力穩定的前提下，提高設備運行的穩定性以及能效的最大化。

6、系統調試：

變頻器做好相應的設置后，為獲得最佳的PID參數，通過PID-Comact指令的調試窗口進行相關參數的自動調試。首先是預調節（確定對輸出值跳變的過程響應）：給定一個設定值（如Setpoint為40HZ），將START置為1，采樣時間設置為0.3s，調節模式為“預調節”，啟動系統運行，進行預調節，完成后，系統確定一套PID運行參數。完成預調節后，可繼續進行精確調節，進一步修正調節PID參數，具有更好的主控和擾動特性，系統自動獲得最佳的PID參數。

四、結語

經過一段時間運行，供水壓力一直恒定，水壓波動在（0.4±0.01）MPa 范圍內，得到生產單位的認可。此外變頻調速，使整體的能耗也降低不少，節能效果十分顯著。再者由變頻器實現泵的軟起動，即避免了大電機起動時對電網的沖擊;也消除頻繁起停造成的水錘效應;而且泵工作在變頻工況，轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。

參考文獻：

[1]S7-1200 V4.2系統手冊

[2]SINAMICS G120 控制單元CU240E 操作手冊

[3]SIMATIC HMI ?第二代精簡系列面板 ?操作說明