水泵壓力變送器節(jié)能控制實驗臺的設計與開發(fā)

摘要：近些年來，循環(huán)泵壓力變送器技術在空調機房得到了廣泛的應用，為了讓學生深入理解循環(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，該文設計搭建了一個小型循環(huán)泵壓力變送器教學實驗臺。該實驗臺引入PLC、壓力變送器、傳感器以及觸摸屏技術，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(tǒng)，通過遠程/本地切換，實現(xiàn)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，同時也可以對反饋的壓力、流量值進行多段調速。實驗臺可用于后期的實驗與教學，培養(yǎng)學生動手實踐的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和意識，并全面提升學生的好立實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)泵實施壓力變送器調速節(jié)能運行，就顯得尤為重要，從而達到節(jié)能、節(jié)煤、室溫恒定的運行效果[1]。就此問題，該文搭建一個小型循環(huán)泵壓力變送器教學實驗臺對循環(huán)泵實施壓力變送器節(jié)能運行。同時在當今自動化控制領域，PLC、壓力變送器與觸摸屏技術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；壓力變送器節(jié)能高效，更有利于提高經(jīng)濟效益；觸摸屏逐步取代過去設備的操作面板和指示儀表，成為應用越來越廣泛的人機界面（HMI）。結合當前所學的綠色節(jié)能的專業(yè)理念，將這3種控制技術引入實驗教學中，使學生在校期間就能掌握當今自動化控制領域的流行技術，從而培養(yǎng)滿足社會需要的高素質的工程技術人才[2]。

1實驗臺管網(wǎng)方案設計

根據(jù)實驗臺尺寸長×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)長度為8m，設計流量不超過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(tǒng)底層設備

根據(jù)壓力損失選擇合適的系統(tǒng)設備，需要監(jiān)測的實驗參數(shù)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完成，所選系統(tǒng)設備的性能如表2所示。

3控制層硬件設計

實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，包括手自動調節(jié)實現(xiàn)遠程/本地切換、PLC與傳感器、壓力變送器上傳/下載數(shù)據(jù)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(tǒng)設備的性能如表2所示。

系統(tǒng)的CPU模塊通過啟動/停止按鈕來控制壓力變送器的啟停，轉換開關可選擇本地/遠程調控。本地調控利用電位器，可進行連續(xù)調頻；遠程調控通過PLC的模擬量模塊輸出固定模擬值，可進行固定調頻，也可通過反饋的流量、壓力等值進行多段調頻。調頻后通過現(xiàn)場傳感器采集到的數(shù)據(jù)進入模擬量輸入模塊，#后可通過觸摸屏顯示出來。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

4MM420壓力變送器參數(shù)設置

根據(jù)本實驗臺的需求，對壓力變送器的參數(shù)按順序進行設置，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(tǒng)進行編程，編程設計分為壓力變送器啟停、手自動調頻切換、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(jù)壓力值進行多段調速等部分。地址變量分配如表6所示。

5.2MCGS軟件設計

實驗臺采用型號為TPC7062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具有解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺、完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能[3]，組態(tài)軟件設計需要的數(shù)據(jù)變量及連接的PLC地址變量見表7。

5.3PLC與觸摸屏的通訊

組態(tài)軟件之所以能實時監(jiān)控水泵實驗臺的動作，是因為PLC與MCGS之間進行了通信，這一功能靠設備窗口組態(tài)來實現(xiàn)。本系統(tǒng)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子S7-200PLC。然后，在通用串口父設備下進行設備屬性編輯，#后，在S7-200PPI下進行通道連接[4]。

5.4觸摸屏界面設計

根據(jù)實驗的要求，設計了以下3個實驗：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；通過調頻來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

現(xiàn)階段人們已經(jīng)認識到優(yōu)化水泵的節(jié)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(tǒng)整體供水質量的重要性，本實驗臺通過初期管網(wǎng)的自主設計、設備的選型、硬件的接線、程序的順序控制等工作，設計出3個實驗方案，將PLC、壓力變送器、觸摸屏（HMI）及傳感器這些技術引入實驗教學中，結合節(jié)能降耗的專業(yè)理念，使學生掌握簡單的控制系統(tǒng)的設計方法，培養(yǎng)學生自主學習、分析、解決問題的能力，#終達到融會貫通，也使學生的實踐能力得到較大的提升，對專業(yè)建設、學生就業(yè)起到強有力的推動作用。