西门子CPU模块6ES7517-3TP00-0AB0型号规格

一 工艺要求
　　（1）正常生产过程中，2台压缩机应至少有1台运行，即使在相互切换时，也不允许发生两台机器全部停止的现象。
　　（2）保持压缩机出口压力在预定值上。
　　（3）能实现对压缩机运行状态进行分析，以实现预测性检修。

二 系统控制原理
　　（1）工艺设定压缩机管网正常出口压力为P1，而现场实际测定压力为P2，根据ΔP（=P2-P1）值大小由PLC内PID功能模块进行PID运算，控制变频器来改变电动机转速，达到所要求的压力。当ΔP＞0时，现场压力偏高，则**变频器输出频率，使电动机转速加快，**实际风压；当ΔP＜0时，现场压力偏低，则使转速降低，ΔP减小。这样不断调整，使ΔP趋于0，现场实际压力在设定压力附近波动，保证压力稳定。系统结构如图1。

（2）压缩机长期运行，造成各部件间隙变大，这样引起的振动会越来越大，容易造成压缩机各部件的损坏。由PLC对现场振动情况进行判断分析，可提前对压缩机进行计划性维护保养，这样可大大延长设备的使用寿命，**设备运行可＊性，减少设备故障引起的非计划性停车。

三 设计方案
　　该方案主要由1台Siemens ECO1-7500/3变频器、1台S7-200型PLC（CPU215/216，配套EM235扩展模块）以及接触器、操作按钮、1台现场压力变送器和2台振动测量装置（振动变送器）组成，用PLC实现压缩机出口压力单回路闭环PID控制以及压缩机起动、停止、切换、故障处理等各种电气控制功能，由振动变送器对压缩机状态进行监控分析，以实现预测性维护维修。主回路如图2。

（1）PID运算功能的实现
　　S7-200系列中CPU215/216具有32位浮点运算指令和内置PID调节运算指令等特殊功能。使用时，只需在PLC内存中填写1张PID控制参数表（见下表），再执行指令：PID TABLE，LOOP，即可完成PID运算。其中操作数TABLE使用变量存储器VBx，用来指明控制环的起始地址；操作数LOOP是控制环号（常数，0～7）。编号为2、4、5、6、7的参数固定不变，可在PLC主程序中设定；编号为1、3、8、9的参数具有实时性，须在调用PID指令时填入。

由于S7-200输入和输出为开关量，而变频器、压力变送器和振动变送器的信号为模拟量，因此EM235模块要实现D/A转换。一个EM235模块可同时扩展3路模拟量输入通道（接1路压力信号，2路振动信号）和1路模拟量输出通道（接至变频器）。
（2）起动
　　M1和M2各有两种起动方式，可通过转换开关选择变频/工频起动方式。
（3）运行
　　正常情况下，电动机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机备用状态。现场压力变送器检测管网出口压力（4～20mA模拟量信号），并与预定值相比较，经PLC内部专用PID指令进行运算，得到变频器所需频率信号，自动调节电动机转速，达到所需管网压力。
（4）停止
　　按下“停止按钮”，PLC控制所有接触器断开，变频器停止工作。
（5）切换
　　当需从电动机M1切换到M2时，接触器KM2断开，KM1闭合，此时电动机M1工作在工频下，在变频器完全停止后，KM4闭合，变频器重新起动，电动机M2在变频器驱动下起动；完全起动后，KM1断开，电动机M1停止，切换操作结束。电动机M2切换到M1过程类似。
（6）报警及故障自诊断
　　通过PLC内部程序设定报警及联锁保护，一旦出现故障立即停止相应操作并报警。对于故障自诊断功能，考虑到成本问题，未设计上位机，只设置相应故障代码，通过4位数码管显示，使维修人员可根据故障信息方便查找到故障点。如：（a）压缩机油压低、水压低等故障信号，可由现场防爆电接点压力表测得，直接送至PLC，由PLC控制实现声光报警和延时停车；（b）增设现场振动传感器，并将信号送至PLC，对压缩机运行状况进行显示和诊断。
四 几点体会和设计中应注意的问题
　（1）采用变频控制后，实现了压缩机的软起动，减小了起动电流对电网的冲击；节电效果明显，1年内可回收全部投资。
　（2）采用PLC后，组成闭环自控系统，实现自动调节，运行更加稳定可＊。
　（3）变频器、PLC、接触器等可安装在一台控制柜内，可就地或远控操作，方式简单灵活。
　（4）系统可扩展性较好。若有多台压缩机在变频/工频供电方式下运行时，只需将增加信息或信号引至PLC，即可实现整个系统的自动控制；若生产需要，本系统也可方便接入DCS或上位机，建立人机界面的监控系统等。
　（5）预测性维护检修可大大延长压缩机使用寿命，**可＊性，减少停车损失，降低运行费用。
　（6）PLC控制电动机在变频/工频供电方式下切换时，须保证各接触器闭合和断开顺序以及足够的延时，以防止电动机绕组产生的感应电动势加载到变频器的输出逆变桥上，造成损坏。
　（7）PLC须实现KM2和KM4间的互锁，以防止2台电动机同时变频起动，使变频器因过载而损坏。
　（8）因2台电动机会在短时间内分别在工频和变频下同时运行，故变频控制柜的总电源开关需按2台电动机负载量考虑

1　引言

　　随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在小区供水和工厂供水控制中发挥了很大的作用。

　　根据某洗衣机进水电磁阀生产厂家的需要，为了给该厂电磁阀性能测试生产线提供基准恒压水源，本文利用PLC控制技术和变频调速技术设计的全自动恒压供水系统,能较好地满足生产需求，水压精度较高。为了不浪费水资源，系统还具有自动水循环功能。

2　系统组成及实现原理

　　恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器（plc）与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。

图1　恒压供水系统控制原理框图

　　变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能pid调节器、压力变送器、plc控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1所示。

　　其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能pid调节器实现管网水压的pid调节。plc控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和plc的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。

3　控制系统硬件设计

　　本系统采用三套电机-水泵对水网进行恒压供水，每台电机均可工作在变频方式或工频方式，但每次仅有一台电机工作在变频调速状态。工作时可根据实际情况选择，变频器根据实际水压的变化,不断地调整水泵转速,通过调节**达到恒定水压的目的。另外,可编程序控制器根据当前水泵的供水情况对其进行合理切换, 及时增泵和减泵，实现佳匹配。

　　3.1　主控电路设计

　　电控系统的主电路由3台电机分别为m1、m2和m3。接触器km1、km2、km3分别控制电机m1、m2和m3变频或工频运行，fr1、fr2、fr3分别为3台水泵电机过载保护的热继电器，qs1、qs2、qs3、qs4分别为变频器和3台水泵电机主电路的隔离开关，fu1为主电路的熔断器，vvvf为通用变频器。

　　3.2　智能pid调节器和变频器接线图

　　变频器选用三垦力达电气有限公司的shf系列，功率分别为7.5kw，1.5kw和15kw，变频器采用模拟量控制方式。通过变频器对电机水泵实现软启动功能。图2为pid调节器和变频器的接线图。变频器根据pid调节器输出信号，及时调节输出频率，改变电机和水泵的转速,调节系统供水量,使供水管网中的压力稳定在设定压力值上。

图2　pid调节器和变频器接线图

　　3.3　plc输入/输出地址分配

　　根据对控制系统的分析，本系统选用中达电通公司的dvp60es00t2 plc实现控制，共有60点输入输出，其中36个输入点，24个晶体管输出点，交流供电，其环境温度、抗冲击、抗噪声等性能指标均能满足要求，附表为plc输入/输出地址分配表。

　　附表　plc输入/输出地址分配表

4　系统软件设计

　　系统的软件设计包括plc的程序设计和变频器的功能参数设定。这里主要讨论plc的程序设计。

　　plc的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制电机在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。

　　当选择开关打到"自动"时，系统能够进入自动工作状态，由plc和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。供水系统共有3台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行，泵组电机的切换过程由逻辑控制单元plc实现。

图3　系统控制流程图

　　图3为选择p1泵为变频泵，p2、p3泵为工频泵时的plc状态转移图。假设增泵顺序为p1、p3和p2，当供水设备开始工作时，先起动变频泵p1，当管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定数值上。当用水量增加时，水压降低，压力变送器把水管出口变化了的总管实际压力信号变成4～20 ma的标准信号送入智能pid调节器, pid回路调节器经运算,得出调节参数送给变频器，使变频器的输出频率上升，水泵的转速**，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到大值（50hz）时，若供水压力仍不能使管网水压达到设定值，延时20s后，pid调节器就发出控制信号，通过PLC控制单元起动一台工频泵p3泵，若管网水压仍不能达到设定值，则延时20s后，继续起动工频泵。反之，当用水量减少，供水压力大于设定值时，变频器的输出频率降低，水泵转速下降，变频器的输出频率达到小值（30hz）时，延时20s后，则发出减少一台工频泵的命令，其他泵依次类推。

5　结束语

　　自行设计的变频调速恒压供水系统实现简单,成本低廉，投入运行以来，工作可靠，具有较好的控制效果。主要体现在:

　　（1）　系统供水压力平稳，压力变化在 0.01mpa 以内;

　　（2）　高效节能，系统有plc和变频器管理，可有效解决不同用水量时电机轻载或空载时节能问题;

　　（3）　整个系统自动化程度高，不需人员职守，故障时可以自动保护并发出报警信号。

　　（4）　自动水循环，实现了有效的节水。

　　另外，系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。