西门子6ES7231-0HF22-0XA0参数设置

1 引言
风洞是空气动力试验系统。它依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。也可以说，风洞就是在地面上人为地创造一个“天空”。风洞是研制飞机必需的一种试验装置。它模拟飞机飞行中各种空气动力条件，只在地面就可以获取飞机在空中飞行时的各种参数。
气流的改变通过调节风洞系统中的风速，风速采用富士G11系列变频控制器，并配以编码器反馈完成高精度速度控制。可编程控制器(也称为PLC)工业控制部件因其功能强大、运算速度快、程序设计简单、修改程序灵活方便、可靠性高、抗干扰能力强以及能在恶劣的工业环境下长期工作等显著特点，已广泛应用于工业自动化控制的各个领域。但是其本身不具备人机交互功能，在工艺参数较多，需要人机交互时，配合使用具有触摸操作和通信功能的人机界面就是一种很好的选择。在本文所述的风洞调速系统中，变频器、PLC及人机界面之间以串行通信方式，可以在人机界面上直接对风洞内的风速、速压进行设定、控制及监视，并且可以通过趋势图随时观察气流改变时风洞内9个环境参数(温度、大气压、落压差等)的变化。该系统具有稳定、可靠性高的特点。
2 硬件配置设计
2.1 原理设计
图1是该系统的主要硬件组成图，应用于某风洞实验。

图1 系统主要硬件配置图

设定数据主要是风速，风速分为自动和手动调节两种方式。自动调节时,风速分15个等级，在POD上预先设定好每个等级的数据和工作时间后，按预先设定的等级的数据和时间让风速电机依次连续运行。手动时，POD随时由操作员调节风速电机的速度。通过传感器把风洞内的9个环境参数信号传给三个模拟输入单元。这9个环境参数分别是温度、实验段气压、落压差和力等。
对风速和速压两种方式可以任意选择和任意设定，根据流体力学[1]，由公式:
Qi=k1ρVi2=k2△Pi ——i=1到15可任意选择(i为实验Vi或Qi点数)
ρ=k3P/(273+t) ——k1,k2,k3:常数，根据不同系统而定:
Qi——速压(kg/m2)
Vi——风速(m/s)
△Pi——落差压(mbar)
ρ——空气密度(kg*s2/m4)
t——温度(℃)
P——实验段气压(mbar)
可以计算Vi和Qi，也可以和风速的给定值进行比较。
2.2 配置设计
(1) 根据系统运行和控制要求，选用富士的MICREX-SX SPB系列PLC，其使用简单，功能强大，Zui优性能价格比，能满足各种各样自动化控制需要，且具有尺寸小不受安装场所限制，大容量内存，高速指令功能;并提供了方便、简洁、开放的通信功能;可直接连接POD;使MICREX-SX SPB系列PLC可以很好的满足控制要求[2]。
(2) 人机界面选用带RS-485通信的富士UG430H-SS触摸屏，彩色，128色，10.4寸。进行参数的设定、显示[3]。
(3) 变频器选用富士的FRENIC5000G11S，该变频器具有低噪音、高性能、多功能以及带有RS-485通信接口等特点。配以编码器反馈完成高精度速度控制[4]。
3 系统软件设计
3.1 人机界面的软件设计
本系统人机界面所有画面均用UG00S-CWV3软件进行设计，分为操作画面和检测画面。有主画面、环境参数趋势图显示、风速的自动和手动设定等画面，经UG00S-CWV3编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面,如果与PLC的通信能正常进行，并且PLC侧相应的程序也正确无误，则即可使用。人机界面通过RS-422通信电缆直接与与PLC编程器端口连接，实行命令设定型通信。根据来自人机界面的请求命令，可以实施PLC内部存储器的读写操作。PLC完成处理后，回送答复给外部设备。PLC侧不用特意编写通信程序。这里只介绍风速的自动和手动两个画面。
(1) 风速自动画面设计
风速的自动调节分为15个等级，每一个等级对应一个风速设定值和相应运行的时间。通过画面显示风速的当前值和系统的累计运行时间。
图2是设计的画面。画面中的自动调节风速是静态文字，对画面起到说明的作用，画面上所有静态文字的设计方法基本相同，设计时应在画面上合理布置，现以“自动调节风速”为例说明如下:在draw tool bar中选择[text],输入文字“自动调节风速”设定文字大小为Enlarge X:2;Enlarge Y:2，文字颜色为白色、透明。文字底下的方块、阴影，是在draw tool bar中选择[box]进行重叠的结果，它起到美化的作用，这里就不再详细说明[5]。

图2 风速自动调节画面

在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display],出现Num.Display对话框，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为$u0100,Display function设为Entry Target，放置到如图2等级1的下面。用同样的方法，在工具栏中单击数值显示部件[Num.Data Display]，对该数值进行设置，Division No设为0，Memory设为D0120，Display function设为Entry Target。利用编辑菜单中的Multi Copy分别对上面设置的两个数值进行复制，复制时次序递增，存储单元地址递增，分别复制15个，放置的位置如图2。然后用Draw工具栏中的[Line]和[Text]画成表格的形式。
图3是对风速和时间设定时弹出的小窗口，在Item菜单中选择[Multi-Overlap],在出现的对话框中设窗口号为0，点击OK，进入多窗口设置画面，在工具栏中单击[Overlap],设置弹出窗口大小、颜色、类型，设好后点击OK放置到画面编辑区域里。在编辑区域内单击右键，选择Overlap0，工具栏中选择[Entry Mode]，出现，点击Zui左面的部件，通过设置把键盘到上一步的弹出窗口中。通过[Max]和[Min]在弹出窗口上可以显示每一个设定值的范围，这里就不再详细介绍了。

图3 风速和时间设定窗口

在图2的画面上设置了三个按钮，通过他们可以转到首页、手动调节风速、风压画面。自动调节风速的数值设好后，系统运行时指示灯亮。显示的当前值是根据前面的公式计算的结果，累计运行时间是从系统运行到停止的总的运行时间。
在依次自动执行15个风速段的程序设计中用到了宏命令模式。每一个风速值对应一个标志位，系统从第一个数值运行，当到达设定的运行时间后，第二个风速值对应的标志位置1，执行宏命令，把设定值送给变频器、风扇电机，按设定时间运行后，第三个风速值对应的标志位置1，下面的依此类推。
该人机界面内置日历，用来显示当前时间，也可是修改时间的显示格式。如图2右上角显示当前的年月日、日期和时间。
(2) 风速手动画面
图4为风速手动画面

图4 风速手动画面

在风速手动画面上，放置有加一减一键、左右移动键和输入键，通过它们可以改变设定的风速和时间值。
3.2 PLC的软件设计
用PLC编制的程序主要完成的功能有:对9路环境参数进行转换、运算;完成风速的自动、手动调节;PLC程序结构图如图5所示:

图5 程序结构图

PLC的程序和人机界面的画面设计相互配合来完成系统的功能。在整个系统软件的设计过程中，Zui明显的特点是用了标志位。以风速自动调节为例，对15个等级采用了15个标志位，来分别完成对15个风速等级的控制[6]。
4 变频器功能参数的设置与控制方法
变频器通过RS-485通信线和人机界面相连，通过人机界面对风速电机进行调控[7]。变频器的接线图如图6。利用编码器、编码器反馈卡实现对风速电机转速的闭环控制。风洞风速用变频器的PID调节实现闭环控制。变频器主要功能参数的设置附表。

附表 变频器主要功能参数

图6 变频器接线图

5 系统调试
5.1 脱机调试
为了缩短现场调试时间，在安装之前先进行脱机调试。首先用下载线分别下载程序到PLC和人机界面，再用通信线RS-422把PLC和人机界面相连，上电检查PLC和人机界面能否正常通信。在调试中，遇到了通信出错的情况，通过改变PLC和人机界面的通信参数，Zui后使它们能够正常通信。接下来把PLC和3个模拟输入单元相连，给模拟输入模块任意通道一个0～10V的电压信号，在PLC编程画面里的数据表中看相应的数字变换值，在调试中变换值正确，PLC和三个输入模拟单元连接正常。Zui后，有485通信线连接变频器和人机界面，用人机界面显示变频器某个功能代码的值，在调试中，通信正常，并能正确显示功能代码的值。Zui后，把按系统要求编制的程序下到PLC和人机界面里，PLC的输入接上开关量进行调试，调试通过。
5.2 现场调试
在脱机调试通过之后，进行带负荷，也就是带电机后的试运行调试。变频器和电机相连，上电，用变频器的键盘面板操作方式，分别按FWD正转键、REV反转键和STOP键，看电机是否运转正常。在现场调试中电机旋转方向正确，旋转平稳，加减速平稳。之后增加运行频率，继续试运行，电机运行正常。
6 结束语
由于当时的历史条件所决定，早期建设的低速风洞设备落后，自动化程度不高，这和当前科学技术迅猛发展的时代不相适应，必须对其进行技术改造。经过实际运行表明，针对某风洞改造实现的控制方案较好的达到了预期的效果。

一、前言 
　　
    我公司是一家主要生产乙肝疫苗的制药公司,由净化中央空调设备提供生产车间的洁净环境,使生产车间各个房间的温度、湿度和压差等均能达到国家GMP规定的要求。因为季节的变化，昼夜的变化，这样生产车间的各个房间对风量具有很明显的需求变化，而水泵风机的风量、水liuliang的调节是靠风门、节流阀的手动调节。当风量、水liuliang的需求减少时，风门、阀的开度减少；当风量、水liuliang的需求增加时，风门、阀的开度增大。这种调节方式虽然简单易行，已成习惯，但它是以增加管网损耗，耗费大量能源在风门、阀上作为代价的。而且该中央空调在正常工作时，大多数风门及阀的开度都在50%-60%，这说明现有中央空调水泵风机设计的容量要比实际需要高出很多，严重存在“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。近年来随着电力、电子技术、计算机技术的迅速发展，变频调速技术越来越成熟，因此我们对公司的中央空调水泵风机加装19台变频器进行了节能改造。又由于水泵风机分散性较大，为了减少值班人员的巡视工作强度，便于及时掌握水泵风机的工作状态和发现故障，我们通过PLC及人机界面与变频器的通讯应用，在中央监控室增装变频监控系统，这样值班人员就可在人机界面上直接设定频率值与启停各台变频器，能实时监控水泵风机电机实际工作电流、电压、频率的大小，并具有报警等功能。 PLC资料网
　　
二、中央空调水泵风机变频改造方案
　　
    1、改造前设备情况
    （1）、基因部空调设备情况
    ①制冷主机为日立机组，共三台。②冷冻泵：11KW，2极 全压启动4台，扬程30m，出水温度6℃,回水温度为10℃，出水压力为0.35Mpa，每台电机额定电流为21.8A，正常工作电流为16.6A。一般情况下,开二台备二台。③冷却泵:15KW，2极 全压启动 4台，扬程30m，出水温度32.5℃,回水温度为28.2℃，出水压力为0.38Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为18.0A。一般情况下,开二台备二台。
    （2）、老二楼空调机房空调设备情况
    ①制冷主机为日立机组，共两台。②冷冻泵：15KW，2极 全压启动3台，扬程30m，出水温度6.1℃,回水温度为9.8℃，出水压力为0.36Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为21A。一般情况下,开一台备二台。③冷却泵:15KW，2极 全压启动 3台，扬程30m，出水温度31.8℃,回水温度为27.7℃，出水压力为0.41Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为20.6A。一般情况下,开一台备二台。

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    （3）、分包装空调机房空调设备情况
    ①制冷主机为日立机组，共两台。②冷冻泵：15KW，2极 全压启动3台，扬程30m，出水温度5.8℃,回水温度为9.3℃，出水压力为0.38Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为20.2A。一般情况下,开二台备一台。③冷却泵:15KW，2极 全压启动 3台，扬程30m，出水温度31.6℃,回水温度为27.3℃，出水压力为0.40Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为21.2A。一般情况下,开二台备一台。
    （4）、公司共有13台空调风柜。
    ①基因部空调风柜7台，其中22KW风机电机3台，11KW风机电机2台，15KW和18.5KW风机电机各1台。②老二楼空调风柜3台，其中15KW风机电机2台，11KW风机电机1台。③质检部空调风柜3台，其中11KW风机电机2台，7.5KW风机电机1台。
　　
    2、水泵变频改造方案
　 因为冷冻泵和冷却泵进出水温差都小于5℃，这说明冷冻水liuliang和冷却水liuliang还有余量，再加之，电机正常工作电流小于额定电流（5-12A），明显存在“大马拉小车”的现象。因此，我们对基因部的冷冻水系统和冷却水系统各自使用一台台达VFD-P11KW变频器和一台台达VFD-P15KW 变频器分别实施一拖三驱动（如图一所示）。根据需要由PLC1分别控制3台冷冻水泵和3台冷却水泵轮流切换工作（但同一时刻一台变频器只能驱动一台水泵电机运转），使冷冻水量和冷却水量得到灵活、方便、适时、适量的自动控制，以满足生产工艺的需求。同样对老二楼空调机房及分包装空调机房的冷冻水系统和冷却水系统也各使用一台台达VFD-P15KW 变频器分别实施一拖三驱动，其控制方式与基因部的冷冻水系统和冷却水系统控制方式相同。下面以基因部冷冻水系统加以说明：

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    （1）、闭环控制
    基因部冷冻水系统采用全闭环自动温差控制。采用一台11KW变频器实施一拖三。具体方法是：先将中央空调水泵系统所有的风阀门完全打开，在保证冷冻机组冷冻水量和压力所需前提下，确定一个冷冻泵变频器工作的Zui低工作频率（调试时确定为35HZ），将其设定为下限频率并锁定。用两支温度传感器采集冷冻水主管道上的出水温度和回水温度，传送两者的温差信号至温差控制器，通过PID2调节将温差量变为模拟量反馈给变频器，当温差小于等于设定值5℃时，冷冻水liuliang可适当减少，这时变频器VVVF2降频运行，电机转速减慢；当温差大于设定值5℃时，这时变频器VVVF2升频运行，电机转速加快，水liuliang增加。冷冻泵的工作台数和增减由PLC1控制。这样就能够根据系统实时需要，提供合适的liuliang，不会造成电能的浪费。
    （2）、开环控制
    将控制屏上的转换开关拨至开环位置，顺时针旋动电位器来改变冷冻水泵电机的转速快慢。
    （3）、工频/变频切换工作
　 在系统自动工作状态下，当变频器发生故障时，由PLC1控制另一台备用水泵电机投入工频运行，同时发出声光报警，提醒值班人员及时发现和处理故障。也可将控制柜面板上的手动/自动转换开关拨至手动位置，按下相应的起动按钮来启动相应的水泵电机。

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图一 中央空调水泵变频改造原理图

　　
    3、风机变频改造方案
　 因为所有风柜的风机均处于全开、正常负荷运行状态，恒温调节时，是由冷风出风阀来调节风量。如果生产车间房间内的温度偏高，则风阀开大，加大冷风量，使生产车间房间内的温度降低。如果生产车间房间内的温度偏低，则需关闭一部分风阀开度，减少冷风量，来维持生产车间房间的冷热平衡。因此，送入生产车间内部的风量是可调节的、变化的。特别是到了夜班时，人员很少，且很少出入、走动等活动，系统负荷很轻，对空调冷量的要求也大大降低，只需少量的冷风量就能维持生产车间房间的正压与冷量的需求了，故对13台风机全部进行了变频节能改造，利用变频器来对风量进行调节。
　　
    中央空调风机变频改造原理图如图二所示，在原有工频控制的基础上，增加7个变频控制柜，采用13台台达VFD-P系列变频器驱动13台风机电机，变频/工频可以相互切换。在工频方式下运行时，不改变原来的操作方式，在变频方式下运行时，变频器在不同的时间段自动输出不同的频率。即13台变频器受时控开关的程序控制，在周一至周五的7：30-23：00设定变频器在45HZ下运行，在周一至周五的23：00后至第二天的7：30及周六、周日设定变频器在35HZ下运行（其运行的频率可根据需要来设定），以改变风机的转速，同时13台变频器与中央监控室的人机界面和PLC实行联机通讯，可以实现远程人机监控。

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图二  中央空调风机变频改造原理图

　　
三、中央空调水泵风机变频节能改造效果
　　
    为了能直观体现变频改造后的节能效果，我们做了如下的测试：以1#日立机组冷却水泵14#（15KW）和K4风柜4#（22KW）为对象，在它们各自的主回路上加装电度表，先工频运行一星期，每天定时记录电表读数，再变频运行一星期，进行同样的工作，其数据如表1和表2所示。
　　

表1：1#日立机组冷却水泵节能数据统计

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    1、表1的数据分析：在工频运行时，水泵的负荷变化不是很大，其日用电量在298度左右。变频运行时，由于受外界的环境温度影响较大，故每天的用电量差别较大，但可以看出，变频运行时的日用电量明显要小于工频时的数值。我们以一个星期的总用电量来计算，工频时为2580-891=1689，变频时为5248-4121=1127，则1#日立机组冷却水泵的节电率为：（1689-1127）/1689=33%
　　
    2、表2的数据分析：由于风机每天的负荷变化不大，故其用电量比较稳定。可以看出，工频运行时日用电量在350度左右。变频运行时，日用电量在220度左右。以350和220来计算，则K4风柜电机的节电率为：（350-220）/350 = 37%
由上述计算可知：水泵和风机变频改造后平均节能率为35%，在实际使用中，节电效果会更好。
　　
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表2：K4风柜节能数据统计

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四、中央空调水泵风机变频监控系统
　　
    1、 系统硬件组成
　 中央空调水泵风机变频监控系统的硬件结构图如图三所示，它由公司自来水恒压泵、分包装部二楼冷冻泵、质检部老二楼空调机房水泵风机和基因部水泵风机四个子系统组成，对分布在不同部门的19台变频器实施远程监控。各部分说明如下：①、变频器选用台达VFD-P系列变频器，该系列变频器具有高可靠性，低噪声，高节能，保护功能完善，内建功能强大的RS-485串行通讯接口，且RS-485串行通讯协议对用户公开等特点。②、PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心，选用台达DVP24ES01R。利用其通讯指令编好程序，下载到PLC，然后将它与变频器的RS-485串行通讯接口相连接，就可实现与变频器的实时通讯。③、人机界面采用Hitech公司的PWS-3760，彩色10.4寸。它是新一代高科技可编程终端，专为PLC而设计的互动式工作站，具备与各品牌PLC连线监控能力，适于在恶劣的工业环境中应用，可代替普通或工控计算机。其主要特点有：画面容量大，可达255个画面，画面规划简单；使用ADP3全中文操作软件，适用于bbbbbbS95/bbbbbbS98环境，巨集指令丰富，编程简单；具有交互性好，抗干扰能力强，通讯可靠性高；自动化程度高，操作简单方便，故障率低，寿命长，维修量少。其主要功能有：设计者可依需要编辑出各种画面，实时显示设备状态或系统的操作指示信息；人机界面上的触摸按键可产生相应的开关信号，或输入数值、字符给PLC进行数据交换，从而产生相应的动作控制设备的运行；可多幅画面重叠或切换显示，显示文字、数字、图形、字符串、警报信息、动作流程、统计资料、历史记录、趋势图、简易报表等。④、RS-485串行通讯方式：RS-485采用平衡发送接收方式，它具有传输距离长、抗干扰能力强和多站能力的优点。 PLC

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图三 变频监控系统硬件结构图

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    2、人机界面画面设计
　 本系统人机界面所有画面均由ADP3全中文软件进行设计，有主画面、参数设定、运转设定、参数显示、状态信息、报警信息和帮助等画面，经ADP3软件编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面即可使用。人机界面与PLC之间通过RS232通讯电缆以主从方式进行连接。由PLC对人机界面的状态控制区和通知区进行读写达到两者之间的信息交互。PLC读人机界面状态通知区中的数据，得到当前画面号，而通过写人机界面状态控制区的数据，强制切换画面。参数显示画面之一如图四所示。

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图四 基因部中央空调风机水泵1#监控画面

    用户需要监视19台水泵风机的电压、电流以及频率的大小。因此为它们分别设置三组数值显示区，分别显示电压、电流与频率值，这是利用元件中的数值显示功能实现的。系统启动后，19台变频器周期性地向PLC回复其工作状态，经PLC处理后送人机界面，这样人机界面就可以实时显示这三组数值。数值的格式、位数和精度等根据实际情况在数值显示的属性框中设置。
　　
    3、系统控制方法
　 本系统要求对分布在不同部门、距离较远的19台变频器实施远程监控，能在中央监控室的人机界面上自动/手动设定、修改和写入频率值与启停各台变频器，可实时监测到中央空调水泵风机电机实际工作电压、电流、频率的大小，并具有声光报警等功能。具体控制方法是：采用一台DVP-PLC、一台人机界面PWS-3760和19台VFD-P系列变频器通过RS-485串行通讯方式组成一个实时通信网络（如图三所示）,在现场设定好19台变频器的通信参数，如控制方式为RS-485通讯指令，通讯地址：1-19，波特率为9600，通讯资料格式等；设计系统PLC程序，程序流程图如图五所示。要求手动控制有即时设定、修改和写入频率值与启停各台变频器等功能，自动控制采用二个时段控制，可以随时设定二个时段值和对应的二个频率值，现使用时段值一：7：30对应频率一 45HZ，时段值二：23：00对应频率二 35HZ。程序设计参照VFD-P变频器通讯协议，采用PLC与变频器间的一些RS-485通讯指令实现系统的远程监控，还可通过打印机实现报表的打印。 PLC资料网

图五 系统程序流程图

　　
五、结束语
　　
    采用交流变频调速器对中央空调系统的水泵、风机进行节能改造，不但操作简单方便、节约电能降低生产成本，而且大大地改善水泵风机的运行条件，减少水泵、风机、阀门等的维护量。本变频改造项目及监控系统自2002年5月投运以来，已连续运行二年多，系统运行可靠平稳，通讯数据准确及时，使设备管理规范化，tigao了工作效率，需要在线改变的量为时段与频率的设定值，采用人机界面作为人机交互工具，简单直观，便于操作。PLC作为中央处理单元，两者在变频监控系统中结合使用，实现了该系统的远程监控、手动即时变频和自动分时段变频等功能，在实际使用中取得良好的效果，值得推广到其他行业应用。