基于PROFIBUS—DP的变频控制在冷凝水回收中的应用

摘要：PROFIBUS—DP应用于对分散冷凝水的回收，通过对冷凝水泵电机的变频控制，不但组网容易，而且控制精度和控制决策更加简洁。组网时必须借助于通讯接口卡SI—Pl，通过配置相应的软件，使普通变频器成为带有现场总线接口的变频器。按照锅炉补水箱极限水位，动态调节各分散处冷凝水的回收流量，使锅炉补水箱在储存冷凝水过程中不至于断流和溢出。
关键词：PROFIBUS—DP总线；冷凝水回收；SI—Pl；变频器

    在冷凝水回收时，需将分散于5处水箱(分水箱)中的冷凝水回收至锅炉补水箱内。由于锅炉补水流量基本是定值，因此冷凝水的回收既不能因注入流量过大而造成锅炉补水箱的溢出，也不能由于不及时输送而造成分水箱积满溢出。因此所建构的冷凝水回收控制系统，以锅炉补水箱极限水位为控制目标，根据各分水箱的水位，采用变频调速控制各分水箱冷凝水泵的转速，从而控制注入补水箱的流量，实现冷凝水无间断自动回收。

1 系统组态和相关设置
1．1 系统组态
    系统采用安川VSG7变频器接入以Siemens S7-400PLC(CPU414—2DP)为主站的ROFIBUS—DP网络，通过PROFIBUS—DP，主站监视各变频水泵的运行状态，并可远程设置和改变其内部参数。
    安川变频器需通过专用的接口卡SI—Pl才能接入Siemens的PROFIBUS—DP网络，并需相应的配置软件。SI—Pl卡可用于安川变频器的GS、F7和G7等3个系列，用于VSG7系列时，将其插入变频器的2CN插槽中，并用DP总线电缆和总线连接器与PROFIBUS—DP的主站(这里为S7—400PLC的CPU 414—2DP)的DP口相连接。
    冷凝水回收的PROFIBUS-DP网络系统拓扑结构如图1所示。在一条专供电气传动用的PROFIBUS—DP总线上接入了5台变频器，通过对各分水箱水位的监测，构成对分水箱冷凝水泵的闭环控制。以控制起动台数和调速等方法，动态控制冷凝水的回收流量，保证锅炉补水箱始终维持在高水位。

    使用SI—Pl卡需在PLC的编程软件(如Siemens的STEP7)中配置一通用源数据描述文件GSD(Version3．1，此文件可在安川公司(YASGAWA)的网站中下载，文件名为YASKOOCA．gsd)。当在PLC的编程软件中装入了SI—Pl卡的配置文件GSD之后，在用STEP7的硬件配置功能配置ProfibuS —DP网络并组态有关硬件时，即可在系统中识别安川变频器的SI—Pl卡的配置图标，并可将其作为网络上的一个从站来组态，然后设置有关参数。本系统中，5台变频器的从站地址分别为1、3、5、7、9。从站1的I／O通信数据符号编辑如图2所示。

1．2 使用SI—Pl卡所需的设置
    使用SI—Pl卡，需设置卡(即从站)地址、通信参数(在配置主站，即PLC的CPU时统一设置)，并配置变频器的相关群组参数，以下是各项有关设置。
    1)设置卡(即从站)地址
    用2个(旋转)地址开关(分别设置地址的个位和十位)设定变频器(作为从站)的(硬件)地址，该地址应与用STEP7编程软件配置的该变频器的SI—Pl卡在Profibus—DP网上的(软件)地址一致。
    2)设定通信速率
    当在Profibus—DP网的主站(PLC的CPU)上设置了通信速率后，网络上的各SI-Pl卡的通信速率也就自动设置了。通信速率可在9．6kb／s～12 Mb／s之间，通常设置为1．5 Mb／s。
    3)变频器的相关设置
    Bl-01：频率基准输入方式设为3(选择的通信卡)。
    Bl-02：运行指令输入方式设为3(选择的通信卡)。
    F6-01：当通信出错时的输入方式设为0(继续运行)。
    F6-02：设置为1。
    F6-03：设置为3。
    虽然主设置采用了网络数据通信方式，但变频器的“非常停止”输入端(S12)在任何运行指令输入方式下均有效。
1．3 主站与变频器之间的数据传输
    高速I／O数据区的输入、输出数据各为16 B(即Byte 0～Byte 15，含扩展数据)，其中基本数据的长度各为为6 B。
    1)从PDP Master传送至VS G7变频器的主要数据(输出数据)
    字节0和字节1：用于操作指令，当bit0为“1”时正转，当bit1为“1”时反转，bit2～bit7相当于变频器的H1-01～H1-06设置时控制端子3～8的功能：当bit8为“1”时为外部故障，当bit9为“1”时为故障复位，bitA-bitF各位未使用。
    字节2和字节3：用于速度指令(速度基准值设置)，按字为单位传送(含低字节和高字节)，速度设置分辨率为1／0．01Hz。
    字节4和字节5：用于转矩基准／限制的设置。
    2)从VSG7变频器传送至PDP Master的主要数据(输入数据)
    字节0和字节1：用于监视变频器的状态，bit0为“1”时为正转运行，bit1为“1”时为零速度，bit2为“1”时为反转运行，bit5为“1”时为复位指令接收等。
    字节2和字节3：用于速度反馈(速度测量值)，按字为单位传送(含低字节和高字节)，速度测量分辨率为1／0．01 Hz。
1．4 应用程序
    若用STEP7配置的1号从站的地址为1，其输入字节的首地址为IB128，输出字节的首地址为QB96，则关于PDP主站与变频器之间数据传输的程序如以下所示(包括变频器及其驱动电动机的正转、停止、反转等方向指令、速度设定值指令和运行状态及速度反馈值监视)。
    A I 10．2复位／停止指令信号为“1”
    AN I 10．0正转指令信号为“0”
    AN I 10．1 反转指令信号为“0”
    L W#16#0000装载十进制的0至累加器1
    T MW 100复位MW 100
    T MW 108复位MW 108
    T PQW 96停止，方向字为“0”
    T PQW 98速度设定值字为“0”
    A I 10．0正转指令信号为“1”
    AN I 10．1 反转指令信号为“0”
    S M 100．0 MW 100的bit0置“1”
    R M 100．1 MW 100的bit1置“0”
    L MW 100装入方向字
    T PQW 96正转，QB 96的bit0为“1”
    L W#16#1400装载十进制的5120至 累加器1
    T POW 98传送至速度设定值字
    A I 10．1 反转指令信号为“1”
    AN I 10．0 正转指令信号为“0”
    S M 100．1 MW 100的bit1置“1”
    R M 100．0 MW 100的bit0置“0”
    L MW 100装入方向字
    T PQW 96反转，QB96的bit1为“1”
    L W#16#1400装载十进制的5120至累加器1
    P QW 98 传送至速度设定值字
    L PIW 128 将变频器运行状态字装入
    T MW 108 变频器的状态字中间变量
    A M 108．0正转运行信号为“1”=Q 10．2正转运行信号灯
    A M108．2反转运行信号为“1”=Q 10．2反转运行信号灯
    A M 108．1停止信号为“1”=Q 10．1 停止信号灯
    O M 108．0正转运行信号为“1”
    O M 108．2或反转运行信号为“1”
    L PIW 130装入变频器的速度反馈值
    T MW 110变频器的速度测量值中间变量
    上述STEP7的语句表程序也可用梯形图表达。另外，数据通信的另一种编程方式就是调用功能模块：PLC主站通过系统功能SFC14DPRD_ DAT)和SFC15(DPWR DAT)对各从站分别进行数据读、写操作。

2 控制过程
    冷凝水回送改造实现的目的是：将分散于5处的冷凝水，按照锅炉补水流量的需要，连续地回送至补水箱，作为锅炉补水，循环使用。通过对冷凝水的循环利用，降低锅炉补水制备成本，减少燃煤损耗。
2．1 控制过程
    1)总体控制思路 系统运行过程中，以锅炉补水箱水位(LG)作为主要监控对象，以冷凝水箱水位(LLn)作为反馈信号，当锅炉补水箱水位低于LG时，将满足高于或等于LLn的冷凝水泵开启，向补水箱补水。当锅炉补水箱水位等于=LG时，保留冷凝水箱中水位较高的输水泵继续供水，以保证冷凝水箱不溢水，此部分冷凝水储存在补水箱的LG～LGmax(补水箱极限水位)的容积内，以保证补水箱中的存水量满足锅炉补水要求。
    2)冷凝水位到达下限时冷凝水泵停机 冷凝水箱设最低水位LLmin，当水位达到此水位时，冷凝水泵停机。
    3)冷凝水回送过程控制 实时监控各冷凝水箱的水位，按照“高开低关”的原则，结合补水箱水位，动态控制各冷凝水泵的工作状态，从而控制供水量，以保证补水箱不缺水、各冷凝水箱不溢出。
2．2 远程监控
    采用通信接口卡SI—P1将安川VS G7变频器连接在开放式现场网络PROFIBUS—DP上后，可通过PROFIBUS—DP主站控制变频器的运行／停止，监视运行状态，改变／查看变频器的参数设定。

    主站与与从站之间同步控制信号交换的流程如图3所示。系统具有可扩展性，为今后换热站运行参数远程监控、数据采集提供了平台。运行参数包括：电量、电流、电压、压力、温度、流量以及水泵及阀门的运行状态等。

3 结束语
    PROFIBUS是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。其中PROFIBUS—DP主要用于现场级的高速数据传输、完成自动控制系统(如PLC、PC等)通过高速串行总线与分散的现场设备(I／O、驱动器、阀门等)之间的通信任务。