PLC变频控制系统在大型水处理装备上的研究与应用.pdf

P L C变频控制系统在大型水处理装备上 的研究与应用 彭志刚， 等 P L C 变频控制系统在大型水处理装备上的研究与应用 彭志刚， 何鹏， 周江涛 海军后勤技术装备研究所 北京， 1 0 0 0 7 2 摘 要以两 门子S 7 4 0 0为核心的变频控制系统在某大型水处理装各上的应用， 给 出了控制系统的1 作原理 、 硬件 集成秉J 软件设计方法 。 关键词P L C；变频器；反渗透；PI D Ab s t r a c t T h e a p p l i c a t i o n o f t h e fre q u e n c y c o n v e r s i o n c o n t r o l s y s t e m wh i c h ’ S c o r e i s S i e me n s S 7 - 4 0 0 i n a l a r g e wa t e r t r e a t me n t e q u i p me n t , p res e n t s t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e c o n t r o l s y s t e m， h ard wa r e i n t e g r a t i o n a n d s o ft wa r e d e s i g n me tho d ． Ke ywo r d s P L C ； F r e q u e n c y c o n v e r t e r ； Re v e r s eo s mo s i s； P I D 中图分类号 T P 1 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 2 0 1 - 0 0 7 4 - 0 2 0 引 言 P L C 自问t lj 以来，发展异常迅猛 。 时至今 H已拥有 门 类齐伞的各种功能模块和强大 的嘲络通讯能力，其应用范 用可以覆盖现代工业 的各个领域 ， 满足各类受控对象 的不 同控制要求 。 变 频调速技术是 一种 新型的、 成 熟的交流 电 机无级调速驱动技术 ， 它 以其独特 的控制性被广泛应用在 速度控制领域。 将P L C与变频器结合可大大优化传统的供 水系统 。 本文 以某 大型水 处理装备项 目为背景 ，从 水处理工 艺对水流量 的控制要求出发 ， 介绍了利用变频器、 P L C等 构成P I D变频控制系统 ， 自动调节系统输 出流量 ， 取代 了 原来于动操 作改变流量 的传统方式 。 1 工艺介绍 水处理装 备反渗透水处理包括 预处理系统和反渗透 除盐系统 。预处理部分主要包 括取水泵、增压泵 、 旋流过 滤器、讣量采 、自清洗预过滤器 、 超滤系统以及加药装置。 反渗透部分主要包括超滤水 泵、保安过滤器、计量泵 、 高 压泉 、 反渗透膜 组、 反渗透低压冲洗采 以及加药装置 。 整 个工艺示意如 图1所示。图中高压泵变频控制在整个反渗 透系 统中具有 举足轻重 的作用 ，同时也是本 文研 究 的重 点 。根据工艺要求 ，本系统高压水泵用 一 ‘ 台变频器控制 ， 采用制水量作为闭环控制的一个基本指标 ，以确保制水速 度 的稳 定性 ， 满足 高压泵 适应不 同水质 主要是含盐量 需求。 甲 孽 j 图1 反渗透工艺流程图 收稿 日期 2 o 1 1 1 0 2 0 74 2 变频控制系统工作原理 在反渗透 水处理变频 控制系统 中，水流量调节 是在 整个系统控制的 个主要内容 ， 水量准确 的调节可以捉高 系统生产 效益和设备安全性 。本系统中，水泉 电机是输 出 环节 ， 转速 由变频器摔制 ，实现变流 量控制。变频器接受 控制器 的信号对水泵 电机进行速度控制 ， 摔制器综合流量 设定参考值与现场反馈 的实际流量值信号后，经过 P I D调 节 ， 向变频器输 出运转频率指令 。 流量传感 ／变送器检测 管道进水流量 ， 并将其转变为控制器可接受的模拟信号 ， 进行反馈 。 值得注 意的是在本系统 中， 流量的设 定值可根 据运行环 境 如温度 、 气压等 而重新设定 。 流 量设定值 的变化将 引起相关参数发生变化 ， 如变频器频率 、 电机转 速 、 流量值。这些参数反馈给控制器最终形成闭环 制 系 统 ， 如图2所， J 。 图2 反渗透工艺流量P I D 变频控制系统原理图 3 变频控制系统集成 反渗透水处理变频控制系统组成如 图3所示，系统控 制核心选用西 门孑S 7 4 0 0 P L C， 变频器选用M M 4 2 0， 涉及到 的模块有 S i 3 2 l 2 1 B L 0 0， 3 2路D I模块 D C 2 4 V ； S M 3 2 2 2 1 B L O 0 ， 3 2 路D 0 模块 D C 2 4 V ；S M 3 3 1 2 1 K F O 1 ， 8 路A I 模 S M 3 3 2 2 5 H F 0 0 ， 8 路A O 模块。 操作台W I N C C 与P L C 通讯 选用通讯卡C P 5 6 1 l 。 变频控制系统T作流程为 S M 3 2 1 2 1 B L 0 0 模块采集由 流量传感器产生 的脉冲信号， 将脉冲密度换算成瞬时流量 数值 ， S M 3 3 1 2 1 K F 0 1 模块采集管路压力信号， 通过 S 7 4 0 0 P L C 上传至W I N C C 操作台， ． W I N C C 操作台预设流量数值 进行比较， 经过P I D 调节， 根据比较结果， 通过S M 3 3 2 2 5 H F 0 0 下转第7 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m M o d B u s 在F O X B O R O系统中的应用 雷钊， 等 S I S状态信息经 D C S系统上传到公司信息管理 网后， 达 到生产过程中的实时信息流和企业经营 的商务信息流 的统一 一 和优化 的目标 ， 及 时给公司管理决策者们提供了各 种信息 ， 提供决策依据 。 为公司直接和间接地创造 了巨大 绎济 效益 。 5 技术改造局限性 在系统改造 中， 我们只是考虑到 SI S和 D C S问数据传 送过程。为缩短技改时间，对通讯中D C S和 S I S接收的控制 未进 行进‘ 步优化 。 还存在很 多需要思考和优化 。 1 S I S 时间上传到D C S 系统的方法和D C S 上时间的算 法，还需要进一步 的精减和优化 。 各类系统不 同， 对 没有 专f J M 0 d b U S 接收软模块 的系统， 其算法还需要在应用中不 断修改和完善 。 2 通讯点数量增加， 造成了D C S和S I S负荷增加。 特 别是D C S 系统， 其负荷增加了约 5 ％ 左右， 影响了D C S 运行性 能 。 M o d b U S 通讯造成 F O X B O R O负荷的较高， 经资料查询和 用 调研， 其它D c s系统在M 0d b u S通讯上 占用负荷较低， 实践表 M 0 d b U S在不同设备间的应用较广 ， 是值得推荐使 用的 一 种通讯方式。 为更好地使用M 0 d b U S 通讯， 在下‘ 步 新项 目或者技改中我们要做好前期论 证。 对参与生产控制 或联锁保护的I／ 0点， 尽量不用通讯 。同时在选择 D C S的 S I S控制器 、 控制器 I ／ 0点数量和控制复杂程度上综合考 虑 。 这样 ， 既减少设备投 资， 方便仪表工程师检修维护 ， 也 为设备和装 置安伞运行 创造有利条件 。 参考文 献 [ 1 ] F O X B O R O 使用手册．卜 海福克斯波罗公司． [ 2 ] 两门子组态手册． 上海西门子公司． [ 3 ] 西门子S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 系统软件和标准功能．E 海两门子公刊． [ 4 ] 两门子技术学习大全中文版． 上海_曲门子公司． [ 5 ] F O X B O R O 硬件组态手册一l二 海福克斯波罗公刮． [ 6 ] I ／ A 系统M o d b u s 通信手册． 上海福克斯波罗公刊． [ 7 ] 张新薇． 集散系统基础及应用 [ M ] ． 冶金__ I 业出版丰 _卜 ， 1 9 9 0 ． [ 8 ] 韩曾晋． 现代控制理论和应用 [ M ] ． 冶金1 业出版社， 1 9 8 7 ． [ 9 ] 张宝芬， 张 毅， 曹丽编著． 自 动检测技术及仪表控制系统 [ M ] ． 化学T业出版社， 2 0 0 0 年． [ 1 O ]乐嘉谦． 仪表工手册 [ M ] ． 第2 版． 北京 化学_T业 版 ， 2 0 0 3 ． [ 1 1 ]w w w ． g o n g k o n g ． c o m ． 上接 第7 4页 模块 向变频器输出运转频率指令 4 ～2 0 m A电流信号 ， 变 频器 接受运转频率指令后 ， 进行调频 ， 降低或升高电动机 转速 ，从而改变管道进水量和 出水量 ，流量传感器将管道 水流量上传全S M 3 2 1 2 1 B L O 0 模块， 进行反馈， 最终形成闭环 控制系统。 根据系统反馈结果， 通过S 7 4 0 O P L C向S M 3 2 2 2 1 B L 0 0 模块输 出控制指令， 对 电磁 阀、 指示灯等外设器件进 行控制 ，实现 系统作业功能 。 图3 控制系统结构图 4 变频控制系统软件设计 该系统软件设计主要采用西门子集成开发环境St e P 7 v 5 ． 2 剐组态软件W i n C C 6 ． O 来完成。 系统程序 的设计采用模 块化结构， 主要包括主程序、 模拟量数据采集处理程序 、 故障报警 、 P I D算法实玑及控制部分程序 。 1 土程序实现 主 程序主要 负责各了程序 的管理 调用 。 故障处理 子 程序包括个执行器故 障检测 处理报 警和安全保护程序 。 2 水处理流量调节 P I D 算法实现 本系统主要运用S I E M E N S公司P L C的集成开发环境 S T E P 7中， 提供的P I D 控制功能块来实现P I D 控制。 当控制 器输 出上限报警 为 1时， 说 明水的流量小， 控制器发送水 78 量信号数值偏低。 反之 ， 当输出下 限报警为 1时， 说 日 J J 水的 流量大 ， 控制器发送水量信号数值偏 高，进 一 步摔制水泵 速 度和启停 。 为了能够更好的监控 PI D调节， 我们开发PI D的实时 监控画面。从画面 中可以选择 自动手动调节 以及手动值 的 输入 ，在 自动调节过程 中，可以从柱状图中看 出设定值的 百分 比， 流量反馈值的大小， 以及P I D调节输出值。 通过实 时 曲线显示可 以观察各变量之间关系 。 经过 多次的调试 ， 我们得出了K p 1 ． 0 ， T i 0 ． 8 S 。 使得系统运行平稳， 可分别 存三个定流量值上达 到5％精度 ， 反渗透 水处理系统流量 变化趋势见 图4所示。 图4 反渗透水处理系统流量数据 5 结 论 系统采用 了闭环 自动控制方法和水处理流量调节 P I D 算法 ， 通过调整频率来改变泵 的转速 ， 使泵处于最佳运 行 状态 ， 系统运行可靠稳 定， 能 自动适 应不同原水水质 ， 满 足 了设计 使用需求 。 参考文 献 [ 1 ] 杜清珍． P L C 变频调速系统应用研究[ J ] ．I 业仪表与 自 动化装 置， 2 0 0 1 6 ． [ 2 ] 冯垛生， 张 淼． 变频器的应用 与维护 [ M ] ． 华南理1 - 大学 版 社， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 孙玲， 洪雪峰． 基 _r P L C 和模糊P I O 控制的恒压供水系统设计 [ J ] ． 自动化与仪器仪表， 2 0 1 0 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m