第３８卷 第３期 河南科技学院学报 ２０１０年９月 Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｐ．２０１０ ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００８—７５ １６．２０１０．０３．０１ ９ 变频技术在生产车间冷却供水改造中的应用 刘法治 ，樊克艳 ，李爱国。 （１．河南科技学院，河南新乡４５３００３；２诞津县电业局，河南延津４５３２００； ３．辉县市北云门镇人民政府，河南辉县４５３６００） 摘要：分析了生产车问冷却水传统供水系统存在的问题，为解决这些问题，设计一种基于ＰＬＣ与变频调速技术 的新型节能恒压供水系统．讨论了控制系统的结构组成、工作原理、运行方式、硬件与软件设计，其中硬件设计包 括ＰＬＣ、变频器、传感器、水泵和电动机选用，软件设计包括确定Ｉ／Ｏ点数、Ｉ／Ｏ口分配、系统控制电路图及程序流 程等．新系统较好地解决了传统供水系统存在的供水压力波动大、故障率高、能源浪费严重等问题，提高了系统 运行稳定性、可靠性、灵活性和供水质量，节能效果明显，具有应用推广价值． 关键词：ＰＬＣ；变频器；恒压供水；节能 中图分类号：ＴＵ９９１．６２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—７５１６（２０１０）０３—００７５—０５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｏｆ ＰＬＣ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｒｅｆｏｒｍ Ｌｉｕ Ｆａｚｈｉ ０．Ｆａｎ ｋｅｙａｎ２，Ｌｉ Ａｉｇｕｏ （１．Ｈｅｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ，４５３００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｙａｎｊｉｎ Ｃｏｕｎｔｙ Ｐｏｗｅｒ ｂｕｒｅａｕ，Ｙａｎｊｉｎ ４５３２００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｐｅｏｐｌｅ’ｓ Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｅｉｙｕｎｍｅｎ Ｔｏｗｎ ｏｆ Ｈｕｉｘｉａｎ Ｃｏｕｎｔｙ，Ｈｕｉｘｉａｎ ４５３６００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｉｃｈ ｅｘｉｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ－ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ—ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｏｎ－ｔｒｏｌｌｅｒ（ＰＬＣ）ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔ ｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ｈＴｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ＰＬＣ，ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｐｕｍｐ ａｎｄ ｍｏｔｏｒ ａｒｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．ｈＴｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｉ／Ｏ ｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｉ／Ｏ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｂｉｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ—ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆａｉｌｕｒｅ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｏｌｖｅｄ ｗｅｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ．ｈＴｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｌｆｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ— ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ，ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ 某机械公司的燃油箱生产车间冷却用水，采用气压罐式的增压设备来实现循环供水，因车间用水量 波动较大，而供水的水泵拖动电机是恒速电动机，为了维持供水系统水压恒定，电能大多消耗在频繁的 启、停水泵电机的过程中，水泵电机也时常工作在低效率区，缩短电机使用寿命．电机的频繁启动和停止， 会产生很大的冲击，导致设备故障率很高，造成水资源的污染和浪费，经济成本增大．随着产品产量的增 加和产品质量要求的不断提高，水价的不断提高，对冷却水用水量和质量提出了更高的要求． 收稿日期：２０１０—０４—１２ 作者简介：刘法治（１９６４一），男，河南内乡人，高级实验师，硕士．主要从事自动控制等方面的教学与研究． ７５ ２０１０生 河南科技学院学报（自然科学版） 单片机、ＰＬＣ和变频调速技术的快速发展和在社会各个领域的应用，为解决传统供水系统存在的问 题提供了技术基础．针对上述所存在的问题，采用单片机或ＰＬＣ与变频器结合为核心的恒压供水控制系 统，具有节能、安全与恒压等方面的优点．尽管单片机在硬软件设计、抗干扰能力等方面的性能都有很大 提高，但ＰＬＣ与单片机相比，ＰＬＣ更适应生产车间的恶劣环境和工业控制的要求，因此本设计采用西门 子ｓ７—２００ ＰＬＣ（带有ＰＩＤ功能）作为中心控制单元【ｌＪ，根据车间实际用水量随时改变水泵转速，并可根据 实际情况转换手动、自动和火警等工作方式，实现水压的恒定控制．使用变频设备可使水泵运行平均转 速比工频转速降低２０％，据实验研究可知，转速降低２０％一５０％，可节电５０％ ８０％，经济效益非常显著，所以 在工业生产中极具推广价值． １系统结构组成及工作 原理 １．１系统结构组成 该系统主要是由西门子 Ｓ７—２００系列ＰＬＣ、模拟量扩 展模块ＥＭ２３５、变频器、水泵、 电动机、压力传感器、液位传 感器、电源控制柜、接触器、中 间继电器、热继电器、空气开 关、按钮以及控制线路等组 成，系统结构组成如图１所示． １．２工作原理 图１ 恒压供水系统总体结构 控制系统通过安装在出 水管网上的压力变送器，把出 口的压力信号变成４～２０ ｍＡ标准信号，送入ＰＬＣ的智能扩展模块ＥＭ ２３５的Ａ／Ｄ转换模块，经Ａ／Ｄ模数 转换后再送人ＰＬＣ内置的ＰＩＤ调节器，经ＰＩＤ运算与给定压力参数进行比较运算后，输出４ ２０ ｍＡ的 控制信号送给变频器，南变频器控制水泵的转速来调节供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压 力上，这样就构成了以设定压力 为基准的压力闭环系统；在变频 Ｒ Ｕ 器中设定一个上限频率和一个 Ｓ变频器Ｖ Ｔ ＿ｌｌｌｒ 下限频率，用水高峰时变频器迅 昌 速上升到上限频率，若供水压力 口 卜｝’ 达不到设定值，ＰＬＣ就增加－Ｔ作 斗＜ 泵的数量；用水处于低峰时变频 器输出达到下限频率，若供水压 三相电源 力仍高于设定值，ＰＬＣ就减少工 作泵的数量．同时ＰＬＣ也控制电 机的起停、变频与工频的切换 等，使系统管网的工作压力始终 稳定，进而达到恒压供水的目的． 工频与变频之间转换用交流接 触器互锁来保证它的安全与可 靠【２】．变频器、水泵电机之间的主 线路如图２所示． 图２ 电源、变频器、水泵电机的主线路 ７６ 刘法治等：变频技术在生产车间冷却供水改造中的应用 １．３系统起动 第３期 在自动运行方式下起动时，首先自检．自检包括：ＰＬＣ、变频器、电动机、水池水位等检测．若水池水位 符合设定水位要求，ＰＬＣ控制主泵拖动电机Ｍ１的变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出 频率从２０ Ｈｚ开始上升，此时压力变送器将此时检测压力信号送给ＰＬＣ，经ＰＩＤ运算后，如压力不够，则变 频器的输出频率上升． １．４运行方式 运行方式分为手动和自动两种．手动运行方式时，为确保用水，在现场操作按钮开关，使接触器工作， 控制辅助泵拖动电机Ｍ２工频运行；若ＰＬＣ手动程序可用，可设置一台泵变频运行，当用水量不够时，可 手动投人另外一台水泵工频运行．该方式主要用于设备调试、检修和自动控制系统失灵． 自动运行方式时，首先由主泵变频运行，变频器输出频率从２Ｏ Ｈｚ上升，同时ＰＩＤ调节器把接收到的 信号与给定压力比较运算后，送给变频器，如压力不够，则变频器输出频率上升，当频率上升到上限频率 时，变频器输出一个上限频率到达信号给ＰＬＣ，ＰＬＣ接收到信号后经延时，主泵迅速切换为工频，辅助泵 变频启动；同理，若用水量减少，变频器输出频率下降，辅助泵转速降低，当频率下降至下限频率时，ＰＬＣ就 将辅助泵切除，使主泵由工频转换为变频运行，始终保持管网压力使系统平稳运行［３１． １．５辅助泵运行 ・ 因为工业生产用水的时段性较强，当用水很少时，主泵为了维持供水压力也需要长时间工作在２５ Ｈｚ 左右，电动机不仅要消耗相当大的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命，为了维 持出水压力，可只运行辅助泵，当主泵在设定的低频标准下工作规定时间后，由辅助泵变频工作，不仅电 动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小． １．６水池水位检测 在供水的过程中，ＰＬＣ通过水位传感器实时检测水源水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发 出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信 号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门． １．７故障处理与水泵检修 当出现变频器故障、缺相、液位下限、超压等情况时，系统皆能发出报警信号．特别是缺相、达到液位 下限时，系统还会自动停机，并发出报警信号，通知维修人员前来维修；当变频器故障时，ＰＬＣ收回变频器 对水泵的控制权，并发出指令使全部水泵停机，此时可切换至手动方式保证系统不问断供水． 为维护和检修主泵，要求在供水低峰状态下，在一段时间间隔内使主泵停运，系统此时停止主泵运 行启动辅助泵，同时不影响系统正常运行． ２硬件电路设计 ２．１水泵和电动机的选用 以某机械公司的燃油箱生产车间冷却供水系统为例，根据冷却水用量，选用主离心水泵一台，其驱动 电动机功率３０ ｋＷ，辅助离心水泵一台，要求辅助泵扬程和主泵相同，且其驱动电动机功率应在主泵驱动 电动机功率的１／４到１／６之间． ２．２ ＰＬＧ及扩展模块的选用 在满足控制要求的原则上，尽量降低成本，ＰＬＣ选用西门子公司的ｓ７—２００系列的ＣＰＵ２２４ＣＮ为主 机，它有１４／１０共２４个数字量Ｉ／Ｏ点，２路独立的２０ ｋＨｚ高速脉冲输出，ｌ６ Ｋ字节程序和数据存储空间， 内置有ＰＩＤ控制器．１个ＲＳ４８５通讯／编程口及多种通讯协议【４Ｊ’数据设定值、信号数据读取、数据转换处 理、控制信号输入输出等由ＰＬＣ来实现．数据设定值包括压力上下值、水位上下值及频率上下值等，信号 数据读取包括读取水压、水位、频率、变频泵号，频率工频台数等，控制信号输入输出包括五部分：起动、 运行、停止、切换、报警及故障自诊断等． 本设计扩展模块选用１个ＥＭ ２３５模拟量输入模块，它是Ａ／Ｄ转换模块，具有４个模拟量输入和１个 ７７ ２０１０生 河南科技学院学报（自然科学版） 模拟量输出，１２位Ａ／Ｄ输入信号是由多路开关依次采集的，所使用的数值是数字滤波器求取采样值的 平均值．压力传感器的输出信号，经过变送器调理和放大处理后，成为０—５ Ｖ的标准信号，ＥＭ ２３５模块自 动完成Ａ／Ｄ转换；同时扩展了１个ＥＭ ２２３的数字量输人／输出模块，它有４／４共８个Ｉ／Ｏ点，作用是提 供附加的输入／输出点，这样完全可以满足系统的要求． ２．３变频器的选择 在满足控制要求的情况下，变频器选用了西门子公司的产品，该变频器采用ＭＭ４３０节能型模块，可 大大降低电机高频噪声，减少对电网的污染，同时也能降低水泵电机温升［２］．其保护及报警功能完善，可以 进行实时控制，内置有ＲＳ一２３２通讯接口． ２．４传感器的选择 为了使整个系统结构紧凑、合理和控制方便，采用德国Ｅ＋Ｈ公司的Ｃｅｒａｈａｒ ＴＰＭＣ１３１压力传感器， 量程为０～１．０ ＭＰａ；采用Ｐｒｏｓｏｎｉｃ ＦＤＵ液位传感器，这两种传感器均输出４～２０ ｍＡ的电流信号经光偶 输出给ＰＬＣ取得压力和液位信息．传感器与ＰＬＣ的接线之间要通过直流感性负载电路，以防止电流对 ＰＬＣ的冲击而使其发生故障． ３软件设计 ３．１ Ｉ／Ｏ口分配 冷却恒压供水控制系统的设计主要涉及到Ｉ２个数字量输入和１个模拟量输入，ｌ２个数字量输出 和１个模拟量输出．设置６个操作键、４个开关量传感器、２个开关量开关和１个模拟量传感器作输入信 号；这６个操作键包括：启动开关、停机开关、自动／手动转换开关、报警解除开关、２个在手动控制下控 制通水泵运行开关；４个开关量传感器包括：２个为反映拖动水泵的电机堵转故障的热继电器开关信号， ２个为反映水位高、低开关信号；２个反映变频器上、下限频率开关信号；１个用于测量水压值的模拟量 输入信号．其具体的输人输出地址分配如表１所示． 表１ ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ地址分配 ３．２程序设计 在本系统中，ＰＬＣ程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及管网的压力信号和水池水 位信号，判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，整个系统中ＰＬＣ既有开关量输入／输出，又有变 频器和ＰＬＣ的通信，因此在ＰＬＣ控制软件编程上采用模块式结构，各种功能的程序模块通过主程序有 机地结合起来，在系统启动后，ＰＬＣ上电初始化，检测系统各部分状态信息，若有报警信息则首先发出警 告，若无报警信息，则起动主泵变频运行，实时检测出水压力并进行ＰＩＤ运算，由输出信号去控制接触器、 ７８ 刘法治等：变频技术在生产车间冷却供水改造中的应用 第３期 继电器和变频器等器件， 以完成保持供水压力恒定 的任务．主程序流程如图３ 所示． ４结论 采用ＰＬＣ和变频器技 术对某机械公司的燃油箱 生产车间冷却供水系统进 行改造，解决原供水控制设 备供水压力波动大、系统故 障率高和二次水污染等问 题，运行试验证明本系统具 有以下特点： （１）采用ＰＬＣ实现多台 水泵的投入和切换，可靠性 好，灵活性大，抗干扰能力 强．另外通过ＰＬＣ和变频器 还可实现对系统短路、过 载、电源欠压和过压等保护 功能． （２）系统有自动和手动 两种工作方式，便于调试和 检修，并可在出现故障时切 换到手动控制方式，保证连 续供水． （３）采用变频调速恒压 供水，可较好的节约能源． 总之，以ＰＬＣ为核心的 变频调速控制系统，具有功 能完善、运行可靠、调整方 便、节能效果显著、恒压供 图３主程序流程 水质量高的优点，对大中型 企业改进工厂车间供水系统具有较大的推广应用价值． 参考文献： 【ｌ】石玉明，谭立新．基于ｓ７—２００的变频调速恒压供水系统［Ｊ】．微计算机信息，２００６，２２（１）：１ １４一ｌ１６． 【２】文丽松．ＰＬＣ和变频器在矿山空气压缩机改造中的应用【Ｊ】．采矿技术，２００８，８（５）：７０—７１． 【３】卢建勤．ＰＬＣ及变频器在恒压变量供水系统中的应用【Ｊ］．机床电器，２００５，３２（４）：５９—６１． ［４］郁汉琪．电气控制与可编程序控制器应用技术【ＭＪ．南京：东南大学出版社，２００６：４３９－４０５． （责任编辑：刘明） ７９