基于PLC与变频器实现工厂恒压供水系统改造

廖若峰

摘要：工厂原先采用传统的供水方式，因为水压不能保持恒定，导致部分设备不能稳定正常工作。改造后的恒压供水系统采用压力传感器、西门子PLC S7-1214C和变频器G120作为中心控制装置，根据供水压力的高低，PLC经过PID运算，通过控制字与速度字去改变变频器运行频率，从而调节供水泵的转速，确保供水水压持续恒定。

关键词：PLC;变频器;压力模拟量;PID控制，恒压控制

一、引言：

工厂原有供水系统，根据压力高低，通过继电控制3台水泵供水，存在问题是，故障率较高，压力不稳定，导致部分设备无法稳定正常工作。

设备改造方案是采用压力变送器测量用水压力，由PLC通过变频器控制三台水泵的运行：（1）三台泵中，一台水泵工频运行，不调控，另外二台泵由PLC根据测量压力的高低，通过变频器控制水泵转速，进而控制供水流量，使供水和用水之间保持平衡。（2）设置时间管控：某台水泵运行12个小时后，自动切换到另外一台水泵运行;（3）通过触摸屏人为改变供水压力设定值，并与PLC程序关联，此外还设置手动控制模式以及故障处理模式。

二、系统构成：

原有供水管网及水泵不变;压力变送器已用多年，更换，量程1.0Mpa，输出4～20mA;PLC利用附近已有的S7-1214C的冗余IO口，输出数字量通过变频器（西门子G120）控制水泵转速，达到恒压供水的目的。

三、S7-1214C组态与编程要点

1、模拟量测量输入：

对于S7-1214C而言，有二路模拟量输入接口（0～10V），压力变送器测量输出的4～20mA信号能很方便地接入，为此，需要增加一个500Ω电阻进行转换，对应信号为2～10V;要将此信号转换为内部数字量信号，为此需要用到标定指令SCALE_X，通过将IW64输入的VALUE值映射到指定的取值范围（0～27648）来对其进行缩放并由OUT输出该供水压力信号对应的数字值，用作为PID控制的反馈值。

2、HMI设定：

HMI触摸屏运行画面，除模拟显示外，有电源、启停、手动/自动、复位、泵切换等按钮，还应有供水压力、各泵运行的频率、时间、电流、故障报警等显示内容;由操作员设置供水压力控制的设定值，用于PID控制的设定值。

3、PID编程、组态与调试：

鉴于PID控制的实时性要求，必须建立循环中断组织块，循环时间初定为300ms，在OB30的工艺指令中，调用PID-Comact指令快，用于PID编程，该指令框的参数较多，主要设置有：Setpoint是自动模式下的控制设定值;Input_PER是供水压力信号模拟量输入对应的数字值（即供水压力实际值，或称反馈值）;Output_PER是PID控制的模拟量输出对应的数字值，用做变频器控制的速度字。

PID工艺对象组态：要建立工艺对象，并进行PID组态：在巡视窗口“属性”设置，并先根据经验手动设置PID初始参数。

4、变频器组态与参数设置：

在TIA博途中，添加驱动SINAMICS G120的控制单元CU240E-2 PN-F，添加功率单元 PM240，修改以太网地址，在网络视图中，将PLC与变频器用PROFINET网络连接起来。

G120变频器投入时，通过TIA博图软件调试G120变频器;点击G120设备下的“调试”，先将参数恢复到出厂设置，再调出“调试向导”，依次设置：应用等级、设定值指定、设定值/指令源的默认值、驱动设置、驱动选件、电机类型及电机数据、电机抱闸、重要参数（电机参考转速、最大转速、斜坡上升时间下降时间等）。最后按照具体生产工艺需要进行功能调试。

S7-1214C和G120间，采用标准报文1方式进行通信控制，报文发送的两个字，第一个是控制字，第二个是转速设定值，即速度字，均为16位二进制数。

5.主程序OB1设计

（1）对于单台泵：

S7-1214C输出的控制字（16#），实现对变频器的控制，如16#047F，正转;16#0C7F，反转，16#047E运行准备和停止等;控制字从QW68输出，用于控制电动机启停等运行状态和运行方向，

S7-1214C輸出的速度字（0～27648），是经过PID控制运算后对应的控制输出值，从QW70输出，通过变频器控制电机的转速，从而控制泵的流量，进而控制供水压力的高低。

对于G120变频器而言，转速设定值的设置范围为16#0000至16#4000，16#4000对应的十进制值为16384，即当变频器设定值为16384时，对应工频50Hz（额定转速），此时泵输出最大流量。为此，PLC速度字的数字值（0～27648）与变频器的数字值（0～16384）间要做相应的数值处理。

（2）按照既定算法，根据测量压力的高低及泵的运行时间，在三台泵间进行切换运行作业，在满足压力稳定的前提下，提高设备运行的稳定性以及能效的最大化。

6、系统调试：

变频器做好相应的设置后，为获得最佳的PID参数，通过PID-Comact指令的调试窗口进行相关参数的自动调试。首先是预调节（确定对输出值跳变的过程响应）：给定一个设定值（如Setpoint为40HZ），将START置为1，采样时间设置为0.3s，调节模式为“预调节”，启动系统运行，进行预调节，完成后，系统确定一套PID运行参数。完成预调节后，可继续进行精确调节，进一步修正调节PID参数，具有更好的主控和扰动特性，系统自动获得最佳的PID参数。

四、结语

经过一段时间运行，供水压力一直恒定，水压波动在（0.4±0.01）MPa 范围内，得到生产单位的认可。此外变频调速，使整体的能耗也降低不少，节能效果十分显著。再者由变频器实现泵的软起动，即避免了大电机起动时对电网的冲击;也消除频繁起停造成的水锤效应;而且泵工作在变频工况，转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

参考文献：

[1]S7-1200 V4.2系统手册

[2]SINAMICS G120 控制单元CU240E 操作手册

[3]SIMATIC HMI  第二代精简系列面板  操作说明