李 威，梁沃軍

（中山市技師學(xué)院電氣應(yīng)用系，廣東中山 528403）

1 項(xiàng)目提出

某公司要對(duì)冷凍車間的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造和換代，冷凍車間新購(gòu)置的核心設(shè)備必須使用恒壓供水，供水壓力的穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，如果出現(xiàn)斷水，則會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前批次產(chǎn)品報(bào)廢，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真考慮。冷凍車間位于1樓，需要0.25 MPa的穩(wěn)定水源，雙水罐供水點(diǎn)與冷凍車間用水設(shè)備距離50 m?？刂葡到y(tǒng)要求可以在現(xiàn)場(chǎng)和200 m以外的3樓中控室都可以進(jìn)行監(jiān)視和控制，如何實(shí)現(xiàn)兩地控制，則是本項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。

2 項(xiàng)目方案

2.1 供水管網(wǎng)與控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖1是雙罐變頻恒壓供水系統(tǒng)流程圖，其內(nèi)容有1號(hào)、2號(hào)儲(chǔ)水罐；水管、水泵、閘閥、氣動(dòng)閥、水流方向；2路液位計(jì)和1路壓力傳感器檢測(cè)位置；控制電柜需處理的信號(hào)類型和數(shù)量（開關(guān)量和模擬量）；PLC、A/D模擬量模塊、變頻器的控制組成；MCGS昆侖通態(tài)觸摸屏安裝地點(diǎn)（位于車間三樓的中央控制室）；組態(tài)屏與PLC的通信方式和距離等。由于冷凍車間需要的水源壓力比較嚴(yán)格，而且不能有斷水出現(xiàn)，否則會(huì)導(dǎo)致在線生產(chǎn)中的整批產(chǎn)品報(bào)廢，因此，采用雙儲(chǔ)水罐恒壓輪換供水的方式，水管布局也做了相應(yīng)設(shè)計(jì)。雙儲(chǔ)水罐的供水來(lái)自取水點(diǎn)分支管道2，罐1或2進(jìn)水則由PLC驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥2、4實(shí)現(xiàn)，閘閥1、2是在儲(chǔ)水罐裝有水但需要更換氣動(dòng)閥1、3或水泵時(shí)使用，使用哪個(gè)儲(chǔ)水罐的水對(duì)冷凍車間進(jìn)行變頻恒壓供水，則由PLC驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥1、3決定，儲(chǔ)水罐的容積是根據(jù)管道2沒水供應(yīng)，但必須能使冷凍車間設(shè)備順利加工完當(dāng)前批次產(chǎn)品的最少儲(chǔ)水量計(jì)算（按單罐加適當(dāng)余量計(jì)算）。每個(gè)儲(chǔ)水罐的尺寸最后確定為直徑1.5 m，高度為2.5 m，水泵2供水給50 m外的冷凍車間，且壓力保持0.25 MPa，泵的參數(shù)為：流量Q=23 m3/h、揚(yáng)程H=35 m、電機(jī)額定功率P=4 kW、轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min。

圖1 雙罐變頻恒壓供水系統(tǒng)流程圖

2.2 控制要求

冷凍車間變頻恒壓供水的現(xiàn)場(chǎng)控制電柜只設(shè)自動(dòng)模式，有啟動(dòng)、停止，消除報(bào)警按鈕，信號(hào)輸出則由電源黃色指示燈、運(yùn)行綠色指示燈、故障紅色指示燈、故障聲光報(bào)警器等組成，起現(xiàn)場(chǎng)警示作用。遠(yuǎn)在200 m外的三樓生產(chǎn)總控室必須有冷凍車間變頻恒壓供水的運(yùn)行工況監(jiān)視，也能遠(yuǎn)距離操作，現(xiàn)場(chǎng)不能修改的運(yùn)行參數(shù)都可以在總控室實(shí)現(xiàn)。

電氣系統(tǒng)需完成三部分控制：（1）由PLC，A/D模擬量模塊，液位傳感器1、2，氣動(dòng)閥1、2、3、4組成的水罐液位檢測(cè)和進(jìn)、出水控制；（2）由PLC、A/D模擬量模塊、變頻器、壓力傳感器組成的一路PID閉環(huán)控制，使冷凍車間的用水設(shè)備得到嚴(yán)格恒定的0.25 MPa水源；（3）三樓中控室的組態(tài)屏上可修改PID參數(shù)，顯示變頻器當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，水罐的水位，氣動(dòng)閥狀態(tài)等，也就是必須準(zhǔn)確、真實(shí)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過程監(jiān)視和控制。

3 硬件和軟件資源準(zhǔn)備

3.1 控制核心部件選型

PID運(yùn)算的精度、穩(wěn)定、可靠是本項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，因此，選擇PLC時(shí)重點(diǎn)就在PID運(yùn)算的選擇上，綜合歐美、日系等兩大流派各廠家品牌PLC考慮，應(yīng)以西門子S7-200較為合適，它擁有數(shù)據(jù)運(yùn)算能力強(qiáng)，精度高，PID控制編程時(shí)可模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，容易調(diào)試等眾多優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格也合適。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需要，PLC選擇：S7-200 CPU 224 AD/DC/RLY；模擬量模塊為：EM235 AI4/AQ1x12Bit[1]。

3.2 傳感器的選擇

壓力傳感器是PID閉環(huán)控制的關(guān)鍵器件之一，它是反映被控制的物理量的實(shí)際數(shù)值，即反饋值，它必須準(zhǔn)確、可靠地達(dá)到所需精度要求等。這里選擇了北京中天科技有限公司赫斯曼插頭型GB-3000A(G)壓力變送器如圖2，接口規(guī)格：M20×1.5 mm，輸出：4～20 mA，量程：0～1 MPa；精度等級(jí)：0.2級(jí)[2]。

圖2 GB-3000A壓力變送器

儲(chǔ)水罐的水位測(cè)量則由投入式液位變送器實(shí)現(xiàn)，只有這種類型的傳感器才能對(duì)密封罐的液位實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)視，它具有安裝便捷，維修簡(jiǎn)單，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)密封罐液位的變化，并在組態(tài)屏上用數(shù)據(jù)和生動(dòng)的組態(tài)畫面表現(xiàn)出來(lái)。GB-2100A液位變送器(如圖3)，參數(shù)選擇為：精度等級(jí)：0.1級(jí)，量程：0～5 m，輸出：4～20 mA，介質(zhì)：淡水，線長(zhǎng)：10 m[3]。

3.3 變頻器和組態(tài)屏的選擇

西門子公司的MICROMASTER420[4]是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列。它具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性，具有全面而完善的保護(hù)功能，用戶界面友好，安裝、操作和控制靈活方便。因此，本工程驅(qū)動(dòng)水泵2電動(dòng)機(jī)的變頻器選擇MM420系列；貨號(hào)：6SE6420-2UD24-0BA1；

使用電壓：380 V；輸出功率：4 kW。

圖3 GB-2100A壓力變送器

北京昆侖通態(tài)MCGSTpc7062K[5]使用的是MCGS嵌入版組態(tài)軟件，它通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MCGS帶有豐富、生動(dòng)的多媒體畫面，它以圖像、圖符、報(bào)表、曲線等多種形式，為操作員及時(shí)提供系統(tǒng)運(yùn)行中的狀態(tài)、品質(zhì)及異常報(bào)警等相關(guān)信息；用大小變化、顏色改變、明暗閃爍、移動(dòng)翻轉(zhuǎn)等多種手段，增強(qiáng)畫面的動(dòng)態(tài)顯示效果；MCGSTpc7062K擁有豐富的資源但不到千元的價(jià)格，完全是一款名符其實(shí)的高性價(jià)比觸摸屏。

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 變頻器接線圖

由于本變頻恒壓供水控制只有自動(dòng)運(yùn)行模式，因此，主線路只需給變頻器和電機(jī)供電，其接線圖如圖4[4,6]。

圖4 變頻器接線圖

4.2 PLC控制線路I/O分配圖

圖5 是冷凍車間變頻恒壓供水系統(tǒng)PLC的I/O分配圖[1,6]。它的控制組成有：（1）壓力傳感器、PLC、A/D模擬量模塊、變頻器所組成的PID閉環(huán)控制；（2）現(xiàn)場(chǎng)控制所需要的按鈕、信號(hào)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)等開關(guān)量的處理，包括有4個(gè)輸入量：?jiǎn)?dòng)、停止、報(bào)警消音、變頻器故障，9個(gè)輸出量：運(yùn)行指示、故障指示、故障聲光報(bào)警、變頻器啟動(dòng)、變頻器故障復(fù)位、氣動(dòng)閥1、2、3、4；（3）2支投入式液位計(jì)、PLC、A/D模擬量模塊組成的水位檢測(cè)。由于EM235模塊的要求，模擬量的輸入端必須統(tǒng)一使用電流或電壓輸入，不能混用，必須正確設(shè)定SW1～SW6，本工程的壓力傳感器、投入式液位計(jì)均使用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)方式傳送，采用電流傳輸比電壓傳輸更能抗干擾和傳送更遠(yuǎn)距離。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 PLC編程

冷凍車間變頻恒壓供水系統(tǒng)PLC控制程序由1個(gè)主程序（OB1）、3個(gè)子程序(SBR0、SBR1、SBR2)和1個(gè)時(shí)間中斷程序(INT0)組成[7]。下面就簡(jiǎn)要介紹PLC各個(gè)程序模塊的功能（由于文章篇幅所限，本項(xiàng)目的PLC程序省略）。

圖5 冷凍車間PLC控制線路I/O分配圖

5.1.1 主程序設(shè)計(jì)[7]

主程序需完成的功能有：調(diào)用初始化PID回路參數(shù)子程序SBR0；調(diào)用出水口壓力計(jì)算、變頻器輸入電壓及運(yùn)行頻率計(jì)算子程序SBR1；調(diào)用1號(hào)和2號(hào)罐液位計(jì)算SBR2；能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、運(yùn)行指示、變頻器故障鎖定、變頻器聲光報(bào)警、變頻器故障復(fù)位、1號(hào)水罐水位判斷、2號(hào)水罐水位判斷、組態(tài)畫面元素的動(dòng)畫顯示和報(bào)警等。最重要的是能實(shí)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)儲(chǔ)水罐的輪換進(jìn)水和供水，它用步進(jìn)階梯指令進(jìn)行編寫，由狀態(tài)元件S0.0至S0.5完成。

5.1.2 子程序設(shè)計(jì)[7]

子程序包含三個(gè)，子程序SBR0實(shí)現(xiàn)對(duì)PID環(huán)路表數(shù)值的初始化，調(diào)用時(shí)間中斷程序INT0；子程序SBR1是把壓力傳感器的檢測(cè)值換算為水壓壓力值，單位為MPa，也把PID運(yùn)算后的AQW0輸出值換算為驅(qū)動(dòng)變頻器的電壓值和變頻器的頻率值(按0～50 Hz計(jì)算)；子程序SBR2是把1號(hào)和2號(hào)儲(chǔ)水罐中由投入式液位計(jì)檢測(cè)出來(lái)的值換算成液位高度，單位為m。5.1.3中斷程序設(shè)計(jì)[7]

時(shí)間中斷程序INT0能實(shí)現(xiàn)AIW0（A路模擬量輸入值）標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，作為PID運(yùn)算環(huán)路的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值存于VD500，然后進(jìn)行PID運(yùn)算，最后把PID運(yùn)算后的標(biāo)準(zhǔn)輸出值，通過數(shù)值類型轉(zhuǎn)化成模擬量輸出格式值，再?gòu)腅M235模塊的AWQ0輸出電壓控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。

5.2 MCGSTpc7062K組態(tài)畫面設(shè)計(jì)[5]

Tpc7062K有兩個(gè)串行通信口，規(guī)格和特點(diǎn)如表1，本項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)控制電柜與中控室相隔200 m以上，因此，PLC與Tpc7062K之間必須采用RS485通信，通信電纜制作如圖6。

表1 通信口規(guī)格及特點(diǎn)

圖6 PLC與Tpc通信線

圖7 恒壓供水系統(tǒng)組態(tài)畫面

圖7 是冷凍車間恒壓供水系統(tǒng)組態(tài)畫面，組態(tài)屏是置于三樓的中控室，它可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止；設(shè)定運(yùn)行水壓；顯示實(shí)時(shí)水壓值；PID關(guān)鍵參數(shù)修改；顯示變頻器控制電壓；顯示變頻器運(yùn)行頻率等。同時(shí)它還必須有反映兩個(gè)儲(chǔ)水罐運(yùn)行工況的動(dòng)態(tài)畫面和數(shù)據(jù)，其中就包括：可以設(shè)定兩個(gè)儲(chǔ)水罐的上、下限水位，顯示兩個(gè)儲(chǔ)水罐水位的實(shí)時(shí)高度，既有動(dòng)畫也有數(shù)據(jù)，4個(gè)氣動(dòng)閥的通斷狀態(tài)，水泵的通斷狀態(tài)，水流動(dòng)的動(dòng)畫等。

6 結(jié)束語(yǔ)

恒壓供水方案雖多種多樣，但會(huì)因不同場(chǎng)合而定。設(shè)計(jì)者需根據(jù)具體項(xiàng)目選擇合適的恒壓供水方案，而不是盲目追求配置高端、系統(tǒng)復(fù)雜等不一定適合的方案，這都要在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。本工程的管網(wǎng)和電氣控制設(shè)計(jì)，滿足了雙儲(chǔ)水罐輪換恒壓供水而同時(shí)又需要在相隔較遠(yuǎn)的兩地控制的要求。系統(tǒng)投入實(shí)際使用以來(lái)，運(yùn)行可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)，成功地解決生產(chǎn)的關(guān)鍵問題，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了人力成本。

［1］Siemens AG.S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)［Z］.2002.

［2］北京中天科技有限公司.GB-3000A（G）壓力變送器使用說(shuō)明書［Z］.2009.

［3］北京中天科技有限公司.GB-2100A液位變送器使用說(shuō)明書［Z］.2009.

［4］Siemens AG.MICROMASTER 420使用大全用戶手冊(cè)［Z］.2001.

［5］北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.MCGS嵌入版說(shuō)明書［Z］.2011.

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.電氣制圖［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.

［7］張運(yùn)剛.西門子S7-200 PLC技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.