变频器外部I/O控制在青草沙水库输水泵站的应用讨论

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课题来源：本论文受上海市科委课题（编号：14231200401）资助

摘要：近年来随着科技技术的不断进步，水务行业中越来越多的重要生产设备逐步实现了自动化操作并由PLC系统进行全面的控制、监测；然而在实际工况中，一旦出现PLC故障或检修等情况，只依赖现有就地控制操作系统有时很难采取快速有效的应急措施，从而影响供水安全。本文阐述通过充分发掘ABB变频器 auto/hand宏，利用对数字、模拟端口的预编程，设计出另一种独立于PLC系统的机泵远程频率调速控制方法，从而确保在PLC系统瘫痪或检修的状态下确保供水安全。

关键词：变频器 auto/hand宏外部I/O控制青草沙水库讨论

中图分类号：TV672.2文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

1 输水泵站设备现状

青草沙水库作为我国最大的河口江心型水库、上海的重要水源地之一，有效库容达4.35亿m?，设计最大日供水能力为719 万吨/天。其中，输水泵站承担整个长兴岛原水供应，设计日供水量23万吨/天，现供水量5万吨/天；目前主要设备包括： 4台ACS 800变频器、4台功率为200KW的卧式离心泵机泵及各类电磁阀等（主要设备详见表1），其中有2台机泵24小时不间断供水。随着自动化程度不断地提高，设备启停，信号通讯、监控等均由PLC系统进行操作。虽由此可大大提高集中化管理，并有智能化、多功能化等诸多优点，但针对现阶段输水泵站的运行也存在一些隐患；

设备名称 数量 型号

输水机泵 4 电机：YJSPS355L-8；水泵：650SW-15.8

变频器 4 ACS800-07P-0260-3+B054+E205+G300+K458+P901+R712

电控进出水阀 4 BFCS-4（进水管：DN1000、出水管：DN800）

缓闭止回阀 4 PN10 PS11bar

输水泵PLC系统 2 1756―L61B系列

公共PLC系统 1 1756―L61B系列

表 1 输水泵站供水主要设备

2 问题的提出与意义

输水泵站设备目前均采用PLC冗余集中控制模式且拥有比较高的可靠性，然而一旦发生PLC故障或需要检修，就可能面临整个长兴支线系统瘫痪、设备停机的隐患。虽然每台设备均有就地操作模式，但仍有以下缺陷：

（1）故障时需在变频器控制盘上手动切换为就地模式或进行故障复位，而由于设备分布过于分散（变频器距离机泵150米左右），不利于运行人员采取应急措施，使应急时间拖长。

（2）在PLC系统故障或检修情况下，现有的就地操作模式没有连锁机构。在应急操作状态下，无法排除运行人员出现误操作，从而造成事故的进一步扩大。

（3）在现有就地操作运行模式下，没有机泵温度、转速、报警等重要的机泵运行参数，对整个机组的运行状态无法全面监控。

因此基于以上三点，我们需要为变频器设计一种独立于PLC的控制运行方式，从而使变频器无需在控制盘上进行就地切换，就能远程进行频率调节；同时利用加装的辅助设施，解决开停机、机构连锁、参数显示等问题，从而为安全不间断供水再加装一道保险。

3 可能性分析

通过对现有ACS 800变频器相关资料进行分析可知，在变频器的控制基板中已经预先植入了大量PLC及PID算法，并且形成相应多种不同功能的参数集---简称“宏”。在每次变频器启动时，用户可以对宏程序进行设置、修改，以此来满足各种不同工况下的要求。目前，输水泵站变频器采用的是auto/hand 宏，其可以拥有两套运行控制参数EXT1（手动）和EXT2（自动），通过详细查看参数表及端子排可知，目前变频器仅使用了EXT2（自动）的下数字DI6一个端口，并用其作为启动功能（其余通过通讯模块由PLC进行控制），远未发挥变频器功能，因此可扩展的潜力巨大。

4 工艺方案设计

经过进一步研究，可发现通过auto/hand宏，在控制中可将所有端口分为数字量端口（DI）与模拟量端口（AI）两组，通过对其中一个DI端口进行参数定义，可实现对EXT1与EXT2，即I/O端口给定参数模式与PLC给定参数模式互为切换（无论哪种状态，变频器始终处于远程状态）。同时可通过加装变频器SUP7035模块强化信号输出，确保4～20ma电流信号在150米长距离传输中不会造成衰减。这样就解决了现场控制的独立参数给定与控制，真正实现了PLC系统与就地控制的互为备用；

定义编码号 I/O端口号 功能

10.01 DI1 就地启动

DI2 就地停止

11.02 DI3 自动/就地切换

16.04 DI4 故障复位

16.01 DI5 急停

无 DI7 COM端

11.03 AI2 4～20频率给定

15.01 AO1 转速反馈

15.06 AO2 电机电流

表2 变频器新I/O端口定义编码及功能

变频器的I/O数字量端口总共可分为7个DI开关量数字端口、3个AI模拟量输入端口及2个AO模拟量输出端口。由于原auto/hand宏只运用了一个DI开关量端口，因此需在变频器的相应编码号中将此宏的其他DI及AI、AO端口重新全部定义成我们所期望的功能端口（由“表2”可知）；另外，为了全面优化就地控制系统，在定义过程中除了加入必须的“频率给定”、“自动/就地切换”外，还可以加入了“急停”、“故障复位”等重要、实用功能；

同时在AO1、AO2的下端接入2块变频器扩展模块sup7035电流模块，一方面为上述提到的增加4～20ma电流信号，另一方面也是为今后可能的改造留出充足的AO通道，以备不时之需，具体列表详见下“图1”。

图1 变频器新I/O端口示意图

由此可以看到，当DI3激活自动时，通过编码11.06将EXT2的输入通道设定为“现场总线模式”时，整个系统运行状态由PLC系统进行参数给定、启停等控制；当DI3激活手动时，变频器控制优先权自动剥离PLC系统，转入由AI2端口进行频率给定，并配合其它端口进行机泵控制；如此就较为圆满的解决了输水泵站远程就地控制的问题。

5 预计应用后的效果

此方案实际上为输水泵站的变频器运行模式提供了另一种运行模式，从而达到三重保护，即“常规PLC运行模式”、“应急I/O输出运行模式”、“变频器控制盘纯就地运行模式”。任意两种模式故障后，仍有第三种模式可以运行。同时，通过变频器I/O输出参数给定的模式，避免了应急情况下需要在变频器控制盘上切换就地远程状态的过程，大大缩短了应急时间，为应急处理争取了宝贵的时间，为长兴支线的安全运行提供了有力保障。

变频器控制盘操作模式 变频器外部I/O操作模式

应急操作距离 150米左右 30米左右

应急反应时间 较长 短

现场信号反馈 无 有

表3 就地操作模式与外部I/O模式对比

参考文献

【1】、ABB 变频器（ACS 800）固件说明书手册；

【2】、郭艳萍.变频器应用技术.北京师范大学出版社.2009；

【3】、刘美俊.中国电力出版社.2008；