基于PLC的供应室变频调速恒压供水系统的实现

2013-11-19赵晖胡肖聪

中国医疗设备 2013年2期

赵晖，胡肖聪

1.天台县人民医院设备科，浙江台州 317200；2.慈溪市人民医院设备科，浙江宁波 315300

0 前言

根据消毒供应中心管理规范，在对器械等物品进行手工或清洗机清洗时，须使用自来水以及纯水。为了满足要求，需配备水处理系统，提供合格用水。我院原先使用一台国产水处理系统，该系统为早期产品，出水量小，需手工启停；另外由于供应室用水的特点，用水高峰和低谷的用水量相差很大，而原水处理不论用水量大小，水泵均以工频运行，用水低谷时造成水资源及电能的浪费，高峰时则水压明显下降，造成清洗机欠压报警。

为此，在原水处理机基础上，增加纯水水箱、纯水泵及恒压控制系统，以适应供水要求。依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，实现纯水泵电动机无级调速，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，并采用纯水循环供水，消除系统供水死角，保证系统清洗、消毒无死角，提高供水的质量。

1 控制原理

恒压控制系统原理，见图1。系统主要由人机界面（HMI）、可编程控制器（PLC）、PID调节器、变频器、压力传感器、液位传感器、配电装置等组成。用户可以通过触摸屏设置水压、了解和控制系统的运行。

PLC利用液位传感器测定纯水水箱内的蓄水量，根据水箱的高、低水位信号，再由传感器直接送给PLC，控制进水电磁阀及水处理机的启闭，以保持水量恒定，同时系统可在空闲及上班前提前生产纯水，储存于水箱中，缓解水处理机出水量不足的矛盾。

工作时，通过安装在出水管上的压力变送器，把出口压力信号变成4～20 mA信号送入PID调节器，经PID运算与PLC给定的压力参数进行比较，输出运行频率到变频器，由变频器控制水泵的转速以调节供水量，达到恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

当变频器故障时，PLC通过接触器将水泵切换为工频运行。

图1 恒压控制系统原理图

2 水泵

水泵采用三相异步电动机，从理论上可知电机的转速n与供电频率f有以下关系：

式中，p-电机极数， s-电机滑差率。

由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速n。为了避免降低频率后磁通过大，磁回路饱和，使电机电流增大，严重时烧毁电机，所以在改变电源频率的同时需控制电源电压。

3 变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电，然后再把直流电转换成交流电，以电压均可控制的交流电供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

变频器有V/f控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等多种控制方式[1-3]。其中，V/f控制是在改变电机电源频率的同时改变电机电源电压，使电机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电机的功率不下降。V/f控制为转速开环控制，无需速度传感器，电路比较简单，使用标准的三相异步电动机，通用性较强，性价比较高，常用于通用变频器上，这类变频器主要用于风机、水泵的调速（调速精度要求不高的场合）功能。

变频器在工频（50 Hz）以下和以上工作时的情况：

（1）变频器频率f＜50 Hz时，为恒转矩调速。但其主要缺点是低速时V/f控制已不能保持电机磁通恒定，电机磁通的减小必然造成电机的电磁转矩减小，使用V/f控制时，低速性能较差。在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

随着市场营销的模式的崛起，我国企业在市场中面对的挑战与竞争又更加严峻，在这种条件下，企业不得不进行改革和创新。依目前的形势看，企业加强经济管理已经成为持续发展的重中之重。市场经济急速发展，如果企业不重视经济管理，就不能利用先进的管理模式和技术手段巩固企业的发展，长此以往，企业的生产经营活动极有可能发生混乱，从而失去市场竞争力。

（2）变频器频率f＞50 Hz时，为恒功率调速。当变频器输出频率f从50 Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小，由于调速时所需的功率随转速增长过快，所以通常不应使水泵超工频运行。

考虑以上因素，变频器选用V/f控制，并设置变频器工作频率上限为工频为50 Hz，下限设置为10 Hz，满足泵的转速的变化。

4 PID调节器

PID调节器可采用以下控制形式[4-10]：

（1）软件型。使用离散形式的PID控制算法，在可编程序控制器上实现PID控制，但需配置模拟量模块，成本高，且编程、调试复杂。

（2）硬件型。通用PID温控器。其操作简单，成本较低，但调节过于频繁，稳态性能稍差。

（3）内置型PID。变频器内置PID控制功能，其优点是成本低，控制性能较好，设置的参数少，接线工作量较少，且抗干扰性最好。

5 系统实现

系统电气原理简图，见图2。

变频器选用ABB ACS510，可简化PLC配置、编程。ABB ACS510内置Modbus RTU协议，通过 RS485通讯接口与PLC通讯。

由于ABB ACS510内置Modbus RTU协议，要求通过RS485接口通讯，而FX3G的PLC虽然可加装扩展的485通讯板，但没有专门的MODBUS模块，因此必须对MODBUS深入了解，才能解决数据编码、发送数据、接收数据的奇偶校验、超时处理和出错重发等一系列问题。它的一条简单的变频器操作指令，要编写数十条PLC梯形图指令才能实现，编程工作量大而且繁琐。

Modbus协议最初由Modicon公司开发，包括ASCII、RTU、TCP等，支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备[11-13]。它是一种基于主/从结构的开放式串行通讯协议，此协议定义了消息、数据的结构、命令和应答的方式，可非常轻松地在所有类型的串行接口上实现。Modbus RTU消息帧包括：[设备地址][功能代码][起始寄存器地址高8位][低8位][读取的寄存器数高8位][低8位][CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]。Modbus支持的部分功能码，见表1。

表1 Modbus支持的功能码

变频器控制选用PID宏控制。首先将电机铭牌上的数据：额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、额定功率输入变频器，并选用PID控制宏，设置其他参数，如启停信号源、PID调节器给定值和反馈值选择、通讯参数等。工作时，PLC通过RS485与变频器通讯，设置、读取参数，并通过Y0控制变频器启动、停止，通过X0、X1读取变频器启动及报警信号。P1为水压传感器，将压力信号变成4～20 mA信号送入变频器PID模块，与给定压力参数进行比较，输出运行频率到变频器，进而控制水泵的转速以调节供水量，达到恒压供水。X2、X3为水箱高、低液位信号输入端，PLC根据该信号及定时设置输出至Y1控制进水电磁阀，Y2、Y3用于启停水处理机增压泵和高压泵。