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。基于plc和變頻器的冷媒水壓力控制系統具有自動化程度高、高效節能、安全衛生、維護方便等優點；采用frofibus總線技術，擴展性高；上位計算機控制系統具有過程畫面動態顯示、流程管理及打印等先進功能。

2 系統原理設計

　　2.1 系統總體

　　(1) 目標設計

　　系統設計的目標是在生產崗位冷媒用水需求變化的情況下，使用plc自動控制技術保持管網供水壓力穩定，以達到節能減排，減低成本的目標。

　　(2) 方案設計

　　每臺冷凍機配有2臺泵，正常運行時其中任一臺運行于調速狀態，而另一臺泵備用，也可隨時投入狀態運行。兩臺泵的運行狀態的切換采用手動方式，并要求兩臺泵互鎖，不能同時投入運行。為使各泵平均工作時間相同，需要設置定時換泵功能。設定定時換泵功能后，當一臺泵連續工作時間超過設定值后，且備有泵處于“休息”狀態，則系統提示換泵，以保證各臺水泵運行時間均等，延長水泵使用壽命。當變頻器發生故障時，能夠自動轉換至工頻繼續運行，以確保供水不間斷。

　　(3) 功能設計

　　系統具備報警功能、實時監控和數據存儲等功能。報警顯示包括越限報警和故障報警。當預置監視的模擬量超過所規定的界限值或開關量狀態跳至報警位，即產生越限報警。當預置監視的設備或工藝過程發生故障，控制系統發生故障即產生故障報警。一旦發生報警事件，報警信號上傳上位機，同時接入蜂鳴器進行報警，報警記錄顯示不同的顏色。上位工控機對各水泵的開啟、關閉或故障等實時狀態，以及溫度、出口壓力、調節閥開度和水泵轉速等實時數據進行存儲，并可進行快速報表查詢及打印。

　　2.2 系統組成

　　本系統設計包括上位機、就地觸摸屏和下位機三部分。上位機顯示工藝流程顯示圖、參數成組顯示圖、設備運行狀態顯示、動態顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉速等數據。同時具有高速歷史數據的存儲和查詢、報警等功能。就地觸摸屏上也可以動態的顯示冷媒水的溫度、壓力和水泵轉速等數據。下位機plc實現冷媒水自動控制過程。

　　下位機系統采用西門子s-7 200 plc、abb變頻器、壓力傳感器、溫度傳感器、模擬調節閥門及其他控制設備組成。plc控制部分，因系統有6個模擬量輸入，4個模擬量輸出，需使用擴展單元，所以選用主機為cpu224plc一臺，加上兩臺模擬量輸出模塊em232，再擴展一個模擬量i/o模塊em235。采用em277 frofibus-dp 模塊與上位機進行通訊[1]。該模塊用于接受上位機指令并上傳報警信號。

　　2.3 控制原理

　　系統采用兩路pid閉環控制，根據壓力表測得的數據分別調整比例閥和水泵轉速，保證崗位上冷媒水壓力穩定，并使整個系統達到最節能。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖

　　在冷凍機開啟運行時，控制系統控制冷媒水循環泵按照恒流量，此時水泵轉速置為最大，壓力傳感器檢測管網壓力，輸出4-20ma的電流信號到plc。該壓力反饋信號與壓力給定信號經模糊pid控制程序計算，輸出控制信號給模擬調節閥。當壓力不足時，減小模擬調節閥的開度，減少冷媒水回流，從而提高出水壓力；反之則增大模擬調節閥開度，增加冷媒水回流，降低出口壓力。當冷凍機停止運行即冷媒水溫度達到設定溫度時，控制系統自動控制冷媒水泵切換到變流量恒壓。此時模擬調節閥關閉，壓力反饋信號與壓力給定信號經plc內部另一路模糊pid控制程序計算，輸出一個轉速控制信號給變頻器。當壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快，供水量增加，迫使出口壓力上升。反之水泵轉速減慢，供水量減小，出口壓力下降，從而保證冷媒水壓力穩定。該系統保持出口壓力穩定在0.4mpa，從而保證冷凍機的工作效率。壓力調節精度為設定值的±5%，即±0.02mpa，并能在0.5-2秒內變化的壓力恢復正常。