水泵壓力變送器節能控制實(shí)驗臺的設計與開(kāi)發(fā)

摘要：近些年來(lái)，循環(huán)泵壓力變送器技術(shù)在空調機房得到了廣泛的應用，為了讓學(xué)生深入理解循環(huán)泵壓力變送器的基本原理及運行特性，采用PLC與壓力變送器聯(lián)合控制水泵技術(shù)，該文設計搭建了一個(gè)小型循環(huán)泵壓力變送器教學(xué)實(shí)驗臺。該實(shí)驗臺引入PLC、壓力變送器、傳感器以及觸摸屏技術(shù)，設計了以PLC為控制核心、人機界面（HMI）為上位機的水泵壓力變送器控制系統，通過(guò)遠程/本地切換，實(shí)現了循環(huán)水泵的壓力變送器調速以及對壓力、流量，功率值的測定，同時(shí)也可以對反饋的壓力、流量值進(jìn)行多段調速。實(shí)驗臺可用于后期的實(shí)驗與教學(xué)，培養學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新思維和意識，并全面提升學(xué)生的好立實(shí)驗能力以及工程應用能力。

循環(huán)泵是空調機房運行中的主要耗電設備，其設備容量往往是按其#大負荷選定，而實(shí)際運行中一般在60%～80%負荷下運轉，造成設備效率低下，電能浪費，因此，對循環(huán)泵實(shí)施壓力變送器調速節能運行，就顯得尤為重要，從而達到節能、節煤、室溫恒定的運行效果[1]。就此問(wèn)題，該文搭建一個(gè)小型循環(huán)泵壓力變送器教學(xué)實(shí)驗臺對循環(huán)泵實(shí)施壓力變送器節能運行。同時(shí)在當今自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC、壓力變送器與觸摸屏技術(shù)的綜合應用相當廣泛，PLC具有功能強、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)；壓力變送器節能高效，更有利于提高經(jīng)濟效益；觸摸屏逐步取代過(guò)去設備的操作面板和指示儀表，成為應用越來(lái)越廣泛的人機界面（HMI）。結合當前所學(xué)的綠色節能的專(zhuān)業(yè)理念，將這3種控制技術(shù)引入實(shí)驗教學(xué)中，使學(xué)生在校期間就能掌握當今自動(dòng)化控制領(lǐng)域的流行技術(shù)，從而培養滿(mǎn)足社會(huì )需要的高素質(zhì)的工程技術(shù)人才[2]。

1實(shí)驗臺管網(wǎng)方案設計

根據實(shí)驗臺尺寸長(cháng)×寬×高（2.0m×1.0m×1.5m）設計出管網(wǎng)流程如圖1所示，選取管材為PPR的塑料管，型號選為DN20，管網(wǎng)長(cháng)度為8m，設計流量不超過(guò)1m3/h，取設計速度為0.75m/s，則設計流量為0.85m3/h；管網(wǎng)比摩阻540Pa/m；所以沿程壓力損失Pf=540Pa/m×8m＝4.32kPa；局部壓力損失公式為

2系統底層設備

根據壓力損失選擇合適的系統設備，需要監測的實(shí)驗參數有壓力、流量、功率值等，分別由壓力變送器、智能電磁流量計、功率變送器及水泵來(lái)完成，所選系統設備的性能如表2所示。

3控制層硬件設計

實(shí)驗臺所需的控制層硬件包括CPU224、EM231、EM232、MM420壓力變送器、MCGS觸摸屏以及傳感器等，包括手自動(dòng)調節實(shí)現遠程/本地切換、PLC與傳感器、壓力變送器上傳/下載數據的交互、觸摸屏與PLC通訊等功能。硬件連接形式如圖2所示。所選系統設備的性能如表2所示。

系統的CPU模塊通過(guò)啟動(dòng)/停止按鈕來(lái)控制壓力變送器的啟停，轉換開(kāi)關(guān)可選擇本地/遠程調控。本地調控利用電位器，可進(jìn)行連續調頻；遠程調控通過(guò)PLC的模擬量模塊輸出固定模擬值，可進(jìn)行固定調頻，也可通過(guò)反饋的流量、壓力等值進(jìn)行多段調頻。調頻后通過(guò)現場(chǎng)傳感器采集到的數據進(jìn)入模擬量輸入模塊，#后可通過(guò)觸摸屏顯示出來(lái)。系統控制流程如圖3所示。

4MM420壓力變送器參數設置

根據本實(shí)驗臺的需求，對壓力變送器的參數按順序進(jìn)行設置，如表3所示。

5控制層軟件設計

5.1PLC軟件設計

S7-200系列的編程軟件V4.0STEP7MicroWINSP9對系統進(jìn)行編程，編程設計分為壓力變送器啟停、手自動(dòng)調頻切換、壓力變送器模擬量輸入、電磁流量計模擬量輸入、功率變送器模擬量輸入、PLC給壓力變送器輸出模擬值、根據壓力值進(jìn)行多段調速等部分。地址變量分配如表6所示。

5.2MCGS軟件設計

實(shí)驗臺采用型號為T(mén)PC7062的昆侖通態(tài)的觸摸屏，組態(tài)軟件為MCGS嵌入版組態(tài)軟件。MCGS具有解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺、完成現場(chǎng)數據采集、實(shí)時(shí)和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢曲線(xiàn)和報表輸出以及企業(yè)監控網(wǎng)絡(luò )等功能[3]，組態(tài)軟件設計需要的數據變量及連接的PLC地址變量見(jiàn)表7。

5.3PLC與觸摸屏的通訊

組態(tài)軟件之所以能實(shí)時(shí)監控水泵實(shí)驗臺的動(dòng)作，是因為PLC與MCGS之間進(jìn)行了通信，這一功能靠設備窗口組態(tài)來(lái)實(shí)現。本系統的設備組態(tài)如圖5所示。shou先，在設備工具箱中選擇通用串口父設備并添加西門(mén)子S7-200PLC。然后，在通用串口父設備下進(jìn)行設備屬性編輯，#后，在S7-200PPI下進(jìn)行通道連接[4]。

5.4觸摸屏界面設計

根據實(shí)驗的要求，設計了以下3個(gè)實(shí)驗：利用PLC，給定頻率值，測量管網(wǎng)壓力值與流量值；利用電位器調頻，測量管網(wǎng)壓力值與流量值；通過(guò)調頻來(lái)測量水泵電機消耗的功率值。圖6、圖7為觸摸屏界面。

6結語(yǔ)

現階段人們已經(jīng)認識到優(yōu)化水泵的節能效果、減少電能損耗、提升水泵利用效率以及優(yōu)化空調系統整體供水質(zhì)量的重要性，本實(shí)驗臺通過(guò)初期管網(wǎng)的自主設計、設備的選型、硬件的接線(xiàn)、程序的順序控制等工作，設計出3個(gè)實(shí)驗方案，將PLC、壓力變送器、觸摸屏（HMI）及傳感器這些技術(shù)引入實(shí)驗教學(xué)中，結合節能降耗的專(zhuān)業(yè)理念，使學(xué)生掌握簡(jiǎn)單的控制系統的設計方法，培養學(xué)生自主學(xué)習、分析、解決問(wèn)題的能力，#終達到融會(huì )貫通，也使學(xué)生的實(shí)踐能力得到較大的提升，對專(zhuān)業(yè)建設、學(xué)生就業(yè)起到強有力的推動(dòng)作用。