水泵变频节能控制实验台的设计与开发

曹 宇，李 慧，李 凡

（山东建筑大学 热能工程学院，济南250100）

循环泵是空调机房运行中的主要耗电设备，其设备容量往往是按其最大负荷选定，而实际运行中一般在60%～80%负荷下运转，造成设备效率低下，电能浪费，因此，对循环泵实施变频调速节能运行，就显得尤为重要，从而达到节能、节煤、室温恒定的运行效果[1]。就此问题，该文搭建一个小型循环泵变频教学实验台对循环泵实施变频节能运行。

同时在当今自动化控制领域，PLC、变频器与触摸屏技术的综合应用相当广泛，PLC 具有功能强、可靠性高等一系列优点；变频器节能高效，更有利于提高经济效益；触摸屏逐步取代过去设备的操作面板和指示仪表，成为应用越来越广泛的人机界面（HMI）。结合当前所学的绿色节能的专业理念，将这3 种控制技术引入实验教学中，使学生在校期间就能掌握当今自动化控制领域的流行技术，从而培养满足社会需要的高素质的工程技术人才[2]。

1 实验台管网方案设计

根据实验台尺寸长×宽×高（2.0 m×1.0 m×1.5 m）设计出管网流程如图1所示，选取管材为PPR 的塑料管，型号选为DN20，管网长度为8 m，设计流量不超过1 m3/h，取设计速度为0.75 m/s，则设计流量为0.85 m3/h；管网比摩阻540 Pa/m；所以沿程压力损失Pf=540 Pa/m×8 m=4.32 kPa；局部压力损失公式为

式中：ξ 为局部阻力系数；ρ 为流体密度（kg/m3）；ν 为流体速度（m/s）。

图1 管网设计图Fig.1 Pipe network design diagram

局部及总压力损失如表1所示，总压力损失为29.89 kPa。

表1 局部及总压力损失Tab.1 Partial and total pressure loss

2 系统底层设备

根据压力损失选择合适的系统设备，需要监测的实验参数有压力、流量、功率值等，分别由压力变送器、智能电磁流量计、功率变送器及水泵来完成，所选系统设备的性能如表2所示。

表2 设备性能表Tab.2 Equipment performance

3 控制层硬件设计

实验台所需的控制层硬件包括CPU224、EM231、EM232、MM420 变频器、MCGS 触摸屏以及传感器等，包括手自动调节实现远程/本地切换、PLC 与传感器、变频器上传/下载数据的交互、触摸屏与PLC通讯等功能。硬件连接形式如图2所示。

图2 硬件接线示意图Fig.2 Hardware wiring diagram

系统的CPU 模块通过启动/停止按钮来控制变频器的启停，转换开关可选择本地/远程调控。本地调控利用电位器，可进行连续调频；远程调控通过PLC 的模拟量模块输出固定模拟值，可进行固定调频，也可通过反馈的流量、压力等值进行多段调频。调频后通过现场传感器采集到的数据进入模拟量输入模块，最后可通过触摸屏显示出来。系统控制流程如图3所示。

图3 系统控制流程Fig.3 System control flow chart

4 MM420 变频器参数设置

根据本实验台的需求，对变频器的参数按顺序进行设置，如表3所示。

表3 MM420 变频器参数表Tab.3 MM420 parameter list

对于基本操作面板（BOP）控制：在以上的基础上，需要设置以下指令（表4）。

表4 BOP 控制参数表Tab.4 BOP control parameter list

对于端子排控制：在以上的基础上，需要设置以下指令（表5）。

表5 端子排控制参数表Tab.5 Terminal strip control parameter list

5 控制层软件设计

5.1 PLC 软件设计

S7-200 系列的编程软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 对系统进行编程，编程设计分为变频器启停、手自动调频切换、压力变送器模拟量输入、电磁流量计模拟量输入、功率变送器模拟量输入、PLC 给变频器输出模拟值、 根据压力值进行多段调速等部分。地址变量分配如表6所示。

表6 PLC 地址变量Tab.6 PLC address variable

部分软件编程语句表与梯形图设计如下：

语句表的设计：

对应的梯形图设计如图4所示。

图4 编程梯形图Fig.4 Programmed ladder diagram

5.2 MCGS 软件设计

实验台采用型号为TPC7062 的昆仑通态的触摸屏，组态软件为MCGS 嵌入版组态软件。MCGS具有解决实际工程问题的完整方案和开发平台、完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能[3]，组态软件设计需要的数据变量及连接的PLC 地址变量见表7。

表7 MCGS 与PLC 变量对应表Tab.7 Corresponding table of variable of MCGS and PLC

5.3 PLC 与触摸屏的通讯

组态软件之所以能实时监控水泵实验台的动作，是因为PLC 与MCGS 之间进行了通信，这一功能靠设备窗口组态来实现。本系统的设备组态如图5所示。首先，在设备工具箱中选择通用串口父设备并添加西门子S7-200PLC。然后，在通用串口父设备下进行设备属性编辑，最后，在S7-200PPI 下进行通道连接[4]。

5.4 触摸屏界面设计

图5 设备属性编辑图Fig.5 Edit diagram for device properties

根据实验的要求，设计了以下3 个实验：利用PLC，给定频率值，测量管网压力值与流量值；利用电位器调频，测量管网压力值与流量值；通过调频来测量水泵电机消耗的功率值。图6、图7为触摸屏界面。

图6 触摸屏主界面图Fig.6 Main interface diagram of touch screen

图7 实验界面图Fig.7 Experimental interface diagram

6 结语

现阶段人们已经认识到优化水泵的节能效果、减少电能损耗、提升水泵利用效率以及优化空调系统整体供水质量的重要性，本实验台通过初期管网的自主设计、设备的选型、硬件的接线、程序的顺序控制等工作，设计出3 个实验方案，将PLC、变频器、触摸屏（HMI）及传感器这些技术引入实验教学中，结合节能降耗的专业理念，使学生掌握简单的控制系统的设计方法，培养学生自主学习、分析、解决问题的能力，最终达到融会贯通，也使学生的实践能力得到较大的提升，对专业建设、学生就业起到强有力的推动作用。