基于PLC变频器恒压供水系统的改造

玉　波　王　杰

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545006）



基于PLC变频器恒压供水系统的改造

玉波王杰

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545006）

摘 要：对基于PLC变频器恒压供水系统的构成、原理、功能等进行详细介绍。

关键词：PLC；变频器；恒压供水；状态监控

一、项目运行概况

本供水系统是为柳东乘用车基地焊装车间B/D平台生产线的焊接管冷却供水之用。在车间外有一个大的物质循环风冷水池，为该供水系统中提供冷却循环用水。水循环的流程为从交联冷却水管的下端进，从接近上端的位置接回水池。水池上方装有3台风机，作为回水管的冷却之用。

该供水系统原有3台110kW三相异步水泵电机，采用两用一备的系统控制方式，通过传统的继电器/接触器来控制电机运行。由于电机一直处于工频运行状态，导致循环水的压力不稳定，时高时低：水压高时导致设备管路爆裂，水压低时导致设备因工作温度过高而故障报警，无法适应生产要求。迫于生产需求，需对该冷却循环供水系统进行提升改造。

二、项目改造方案及实施办法

该项目主要是针对焊装车间水泵站提供恒压供水方案。为此设计了一套具有高性能PLC变频器控制系统来替代传统手动操作的接触器式控制系统。此系统重点是根据现场不同设备运行的需求，自动调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统不同工况下冷循环供水的压力为0.20～0.25MPa。

1.电控系统设计。新增变频电柜，柜体选用仿威图品牌。柜内安装两台变频器及其附件，并将强/弱电分开。两电控柜侧均安装电柜专用空调。电控柜底座各侧均留有检修孔以便线路检修及线路增改。前侧柜内板安装抽拉式笔记本电脑托架，方便维修人员进行PLC数据连接与监控，上方安装触摸屏、按钮、数显表、指示灯、电压切换开关等。

2.电路图的绘制。电路图包括：电气原理图、电气接线图、电气安装布局图等。采用CAD软件进行绘制，PLC的I/O地址作为接入部件的线号，方便维修查询及使用。

3.分布式I/O设计。主控PLC采用西门子S7-300系列分布式IO产品，PLC系统采用PROFIDP网络结构，变频器和触摸屏等部件的控制通过PROFIDP网络模块进行整合。PLC系统配置模拟量输入、输出、数字输入、数字输出、压力传感器等模块。

4.PLC梯形图设计。PLC控制程序采用西门子S7软件编译，采用梯形图设计，中文注释。根据功能设置不同的功能程序块，易读容易理解，所有安全信号均采用双回路安全控制，对于设备的操控均设有安全保护程序。

表1　主要电气元件

5.硬件选型。主要电气元件如表1所示。

6.电控系统安装、敷设。主要包含电控柜固定安装、电控柜与外部传感器电缆、桥架和线管的铺设以及沿传感器安装位置管路铺设等。

三、电控系统原理及调试

1.系统由西门子s7-300PLC做编程控制器，网络内包含两台ABB变频器和1台西门子触摸屏，设置手动和自动两种工作模式，有故障声光报警功能、紧急停止功能、触摸屏操作、显示系统工作状态功能。

2. 手动控制模式。手动模式下两台变频器可通过触摸屏分别实现低、中、高速启动、停止、紧急停止等功能；手动控制用于系统调试、维修、保养。在手动模式下变频器通过本地端子控制，外部信号不经过PLC系统直接控制变频器，在PLC系统出现故障时仍可使用。

3.自动模式用于系统正常运行，实现自动运行、停止和紧急停止。自动模式变频器的启动和停止根据外部压力传感器（模拟量）信号来自动控制启动、停止和频率的变化，形成闭环恒压控制。具体控制过程为：当压力传感器压力低于0.20 MPa时变频器1#和2#同时启动，当压力传感器压力达到0.24 MPa时2#变频器停止，当压力传感器压力达到0.27MPa时1#变频器停止。低于0.20 MPa（可满足使用要求的最低压力）两台水泵同时启动是为了尽快提高循环水压力，以保证可以正常工作；达到0.25MPa时2#变频器停止，当压力达到0.25MPa 时循环水系统压力已能够完全满足正常冷却要求，为了达到节能目的只使用1台水泵；达到0.29MPa（可满足使用要求的最高压力）时系统压力已达到最大，两台水泵都停止。

4. 蓄水池自动补水。增加DN50补水管道通过L低水位和H高水位作为补水开始和结束的信号，信号进入PLC系统，在触摸屏上显示，PLC通过连锁和判断信号的准确性之后来控制电控阀的开启和闭合，HH 和LL作为水位过高和过低信号，触发声光报警系统。

5.现场总线通信。控制系统中为使PLC通过PROFIBUS-DP网络与变频器通信，需在ABB变频器上加装现场总线适配器模块。通过选用 RPBA-01 PROFIBUS-DP 适配器， ABB变频器就可以连接到PROFIBUS 网络上。在西门子PLC管理界面，通过点击硬件—组态—设置—安装GSD文件来安装 RPBA-01 GSD 文件 ( ABB_0812.GSD)。安装完毕自动生成ABB Drives RPBA-01文件，将其拖动至DP总线上。选择属性设置operation mode 为VENDOR SPECIFIC（也就是 ABB Drives），设置 PPO 类型，波特率和站点地址（需与模块上的旋码开关设置的站地址一致），即可以完成硬件组态和通信。

这样，PLC通过得到外部传感器信号发出控制命令给变频器，变频器通过控制字得到相应的动作指令并且发出状态字把状态信息反馈给PLC，实现实时控制—反馈—控制的闭环系统。触摸屏与PLC也通过PROFIBUS-DP网络通信，系统实现完全网络通信。电气系统控制示意图如图1所示。

图1　电气系统控制示意图

6.新增人机界面，方便人机交互。在原系统采用传统继电器控制方式，没有办法实现系统状态的监控。通过改进，新增西门子触摸屏，在触摸屏中加入状态、报警等监控画面（图2）。

图2　电控系统监控画面

外部压力传感器一共10个，主管东西两部分各1个，B/D平台和焊装线各4个，其中8个压力传感器实时监测监控点的压力，东、西主管2个压力传感器信号都将进入PLC中参与闭环控制（东、西主管2个压力传感器一备一用），并且在触摸屏中实时显示压力数值，以便操作和维修人员能随时了解系统各处水压的变化，方便维修与保养。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，控制要求发生改变时，可以方便地通过PLC机来改变内存中的控制程序，便可满足不同供水控制系统的高效节能要求，所以现场调试方便。

四、项目改造效果

项目投入使用后，系统运行稳定、可靠，极大的降低维修备件费用。基于PLC变频器控制器的恒压供水控制系统应用简单，功能强大，节能效果显著。PLC变频器控制系统的特点是使用交流接触器少、投资小、接线简单、故障点少、运行可靠、维护简便。同时由于PLC的抗干扰能力强，因此系统的可靠性大大提高。

五、结语

恒压供水采用PLC变频器控制系统是一种有效的技术手段，它充分发挥了其可靠性高、操作简单的优点。现有的系统实现了车间级制冷站循环供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能。将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位、水流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的工厂级自动化控制与管理系统，提高后勤管理能力。

收稿日期：（2015-12-04）

中图分类号：TP273

文献标识码：B

文章编号：1671-0711（2016）02-0056-03