基于PLC和變頻器的冷媒水壓力控制

1 引言

　　冷媒水是工廠公用工程的基本系統(tǒng)?；?span id="xe2stbi" class=hrefStyle>plc和變頻器的冷媒水壓力控制系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；采用frofibus總線技術(shù)，擴(kuò)展性高；上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有過程畫面動(dòng)態(tài)顯示、流程管理及打印等先進(jìn)功能。

2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)總體

　　(1) 目標(biāo)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在生產(chǎn)崗位冷媒用水需求變化的情況下，使用plc自動(dòng)控制技術(shù)保持管網(wǎng)供水壓力穩(wěn)定，以達(dá)到節(jié)能減排，減低成本的目標(biāo)。

　　(2) 方案設(shè)計(jì)

　　每臺(tái)冷凍機(jī)配有2臺(tái)泵，正常運(yùn)行時(shí)其中任一臺(tái)運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺(tái)泵備用，也可隨時(shí)投入狀態(tài)運(yùn)行。兩臺(tái)泵的運(yùn)行狀態(tài)的切換采用手動(dòng)方式，并要求兩臺(tái)泵互鎖，不能同時(shí)投入運(yùn)行。為使各泵平均工作時(shí)間相同，需要設(shè)置定時(shí)換泵功能。設(shè)定定時(shí)換泵功能后，當(dāng)一臺(tái)泵連續(xù)工作時(shí)間超過設(shè)定值后，且備有泵處于“休息”狀態(tài)，則系統(tǒng)提示換泵，以保證各臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間均等，延長水泵使用壽命。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻繼續(xù)運(yùn)行，以確保供水不間斷。

　　(3) 功能設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)具備報(bào)警功能、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。報(bào)警顯示包括越限報(bào)警和故障報(bào)警。當(dāng)預(yù)置監(jiān)視的模擬量超過所規(guī)定的界限值或開關(guān)量狀態(tài)跳至報(bào)警位，即產(chǎn)生越限報(bào)警。當(dāng)預(yù)置監(jiān)視的設(shè)備或工藝過程發(fā)生故障，控制系統(tǒng)發(fā)生故障即產(chǎn)生故障報(bào)警。一旦發(fā)生報(bào)警事件，報(bào)警信號(hào)上傳上位機(jī)，同時(shí)接入蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警記錄顯示不同的顏色。上位工控機(jī)對各水泵的開啟、關(guān)閉或故障等實(shí)時(shí)狀態(tài)，以及溫度、出口壓力、調(diào)節(jié)閥開度和水泵轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可進(jìn)行快速報(bào)表查詢及打印。

　　2.2 系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括上位機(jī)、就地觸摸屏和下位機(jī)三部分。上位機(jī)顯示工藝流程顯示圖、參數(shù)成組顯示圖、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。同時(shí)具有高速歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢、報(bào)警等功能。就地觸摸屏上也可以動(dòng)態(tài)的顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。下位機(jī)plc實(shí)現(xiàn)冷媒水自動(dòng)控制過程。

　　下位機(jī)系統(tǒng)采用西門子s-7 200 plc、abb變頻器、壓力傳感器、溫度傳感器、模擬調(diào)節(jié)閥門及其他控制設(shè)備組成。plc控制部分，因系統(tǒng)有6個(gè)模擬量輸入，4個(gè)模擬量輸出，需使用擴(kuò)展單元，所以選用主機(jī)為cpu224plc一臺(tái)，加上兩臺(tái)模擬量輸出模塊em232，再擴(kuò)展一個(gè)模擬量i/o模塊em235。采用em277 frofibus-dp 模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊[1]。該模塊用于接受上位機(jī)指令并上傳報(bào)警信號(hào)。

　　2.3 控制原理

　　系統(tǒng)采用兩路pid閉環(huán)控制，根據(jù)壓力表測得的數(shù)據(jù)分別調(diào)整比例閥和水泵轉(zhuǎn)速，保證崗位上冷媒水壓力穩(wěn)定，并使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最節(jié)能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

　　在冷凍機(jī)開啟運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)控制冷媒水循環(huán)泵按照恒流量，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速置為最大，壓力傳感器檢測管網(wǎng)壓力，輸出4-20ma的電流信號(hào)到plc。該壓力反饋信號(hào)與壓力給定信號(hào)經(jīng)模糊pid控制程序計(jì)算，輸出控制信號(hào)給模擬調(diào)節(jié)閥。當(dāng)壓力不足時(shí)，減小模擬調(diào)節(jié)閥的開度，減少冷媒水回流，從而提高出水壓力；反之則增大模擬調(diào)節(jié)閥開度，增加冷媒水回流，降低出口壓力。當(dāng)冷凍機(jī)停止運(yùn)行即冷媒水溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)控制冷媒水泵切換到變流量恒壓。此時(shí)模擬調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，壓力反饋信號(hào)與壓力給定信號(hào)經(jīng)plc內(nèi)部另一路模糊pid控制程序計(jì)算，輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)給變頻器。當(dāng)壓力不足時(shí)，變頻器增大輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，迫使出口壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減小，出口壓力下降，從而保證冷媒水壓力穩(wěn)定。該系統(tǒng)保持出口壓力穩(wěn)定在0.4mpa，從而保證冷凍機(jī)的工作效率。壓力調(diào)節(jié)精度為設(shè)定值的±5%，即±0.02mpa，并能在0.5-2秒內(nèi)變化的壓力恢復(fù)正常。