基于PLC的变频调速恒压供水系统的分析

2012-12-21韦云松

装备制造技术 2012年5期

韦云松

（广西南南铝加工有限公司，广西南宁 530031）

随着铝加工工业自动化程度的日益提高，铝加工生产工艺过程对供水系统的控制要求越来越高。比如在气垫式连续热处理等工艺过程中，若生产用水压力不稳定，造成水流量大小的波动，就会影响铝板带的淬火产品品质，流量波动太大时，会使淬火产品报废。当供水压力不足，将会影响设备的冷却器和板式换热器的冷却效果，不满足生产工艺要求，严重时可能会造成设备的散热能力，造成设备损坏。

因此，在铝加工生产设备采用可编程控制器控制的变频调速的恒压供水，为生产高端的航空航天铝板带产品的工艺控制奠定了基础。采用可编程控制器作为核心控制部件，利用VVVF 变频器控制水泵的转速，根据设备工艺的用水情况迅速调整供水的压力波动，达到恒压供水的目的，提高了生产工艺的工作稳定性。

1 系统硬件设计

变频调速恒定压力供水系统硬件如图1所示，主要由西门子S7-200、ABB的ACS400 变频器、接触器、压力传感器、水泵等部分组成。控制核心单元为西门子S7-200，内部配备PID控制算法，根据设定的供水压力信号与安装在管道上压力传感器的反馈信号进行分析、计算和比较，得到管道压力偏差和偏差的变化率，经由PLC 内部的PID 运算后，PLC 通过Profibus 通讯将控制电机转速的信号输出到VVVF变频器，调节水泵电机的运行速度和水泵的运行数量，根据压力和流量的大小，控制投入运行的水泵数量，并完成电机的启动停止、变频与工频的切换控制。使生产设备用水的工作压力稳定。

控制系统配置有带有WinCC的HP 工作站计算机，西门子S7-200的可编程控制器和ABB 公司的ACS400 变频器，PLC 配备有模拟量的输入输出模块，结构图如图1。

图1 恒压供水系统原理图

循环水泵站采用3台132 kW的水泵并联运行，每一台水泵入口出口设有截止阀，便于维护使用。安装在出水管道上压力传感器，检测出口冷却水压力的大小，并通过压力变送器将压力信号转换成4～20 mA的电信号，输入到S7-200PLC的模拟量输入模块，控制器根据需要的压力设定值与实际检测的压力值进行比例积分微分（PID）运算，通过Profibus 网络将控制信号发送到变频器，调节水泵电机的转速。开始启动时，一台水泵在变频器的控制下稳定加速运行，当变频器输出频率达到50 Hz，电机转速达到最大时，出水管道压力仍没有达到设定压力时，可编程控制器发出控制信号，自动地将第一台水泵切换到工频运行，变频器启动第二台水泵，如压力仍未达到，则继续投入第三台水泵。当外部的生产设备用水量减少时，循环管道中的水压压力将会提高，压力传感器将会检测并发送给PLC，通过计算自动降低变频器的输出频率，或减少水泵的运行数量。

根据水泵的扬程流量特性，水泵的转速和扬程有关，而且当水泵的运行转速低于一定的数值时，水泵的输出扬程（压力）将变得非常小。因此，需要设定变频器的最小运行频率，以便水泵输出足够的压力和保护电机，一般变频器输出最小频率设定为15 Hz。

2 系统程序设计

PLC系统程序，主要有水压的压力控制程序和电机轮流切换程序，包含水管泄漏、堵塞、电机过流保护等必要程序。

水压的压力控制程序，主要是控制循环供水管道中的水压，保证管道压力与工艺设定压力保持一致，通过安装循环冷却水管网末端的压力传感器检测测量，通过压力变送器将压力信号变成4～20 mA的仪表信号，送入西门子S7-200 模拟量模块进行模数转化，得到管道压力的数字量信号，与通过上位机输入的压力设定值进行比较，由CPU 进行比例积分微分PID 运算，得出控制值并通过Profibus 通信发送给变频器，由变频器控制水泵电机的转速，调整水泵的输出压力，保证循环冷却水管道压力稳定；当生产设备的用水流量加大，超过单台泵的供水量，通过PLC控制水泵的投入。根据流量及压力的大小，由PLC控制工作水泵的投入切除和变频器对水泵电机的额定频率控制，保证管道压力稳定。当生产用水负载变化时，变频器的输出也跟着变化进而自动调整水泵电机的转速，构成了以设定压力恒定为基准的闭环控制系统。

水泵电机切换程序，主要是控制泵站中各台水泵电机的运行方式，按照一定的规律改变水泵的循环工作，工作泵与变频泵相互转换，避免同一个水泵长时间运行，而另一个水泵长时间闲置，保证循环水泵站中各个水泵有相同的运行时间，避免产生备用泵因长期闲置发生锈蚀不能运转现象。此外，在上位机中，通过Win CC的编程，自动统计各台水泵的运行时间，便于设备的维护工作。