S7-200 PLC在冷却水系统中的应用

摘要：随着国内电子设备及医药行业的发展，越来越多的生产企业在生产车间内设置中央空调系统，因为采用将升温冷水流经过冷却塔冷却降温，再通过泵送回生产设备再次使用，冷水用量大大降低，循环水冷却系统而也因此成为暖通系统中不可缺少的部分。本文介绍了西门子s7-200 plc在工业冷却水系统中的应用，着重介绍了冷却水变频控制的原理，使用方法以及PLC编程，通过程序控制使系统安全、可靠、节能的运行。

关键词：S7-200PLC；冷却水系统；变频控制；节能

一、项目简介

杭州市某药业集团有限公司是国家大型骨干制药工业企业，为全国医药50强之一。公司以原料药为基础、制剂药为重点，开发高科技、高附加值的产品，常年生产多种医药原料和四大类药物制剂，即抗心血管类、抗肿瘤类、消化道类、多维元素类。公司被杭州市政府有关部门确定为高效化学原料及各类新型制剂的研究和生产基地的高新技术企业。最近，世界500强企业、全球著名制药公司法国某集团公司与该公司合资在滨江建厂。由于产能及生产需求，该厂房设计一套Honeywell DDC控制系统用于控制生产厂房内温度、湿度及风压，同时单独设计一套冷却水系统，该系统与暖通控制系统不实现互联，但其对冷却水温度的控制精度直接影响到暖通控制系统。本文要介绍的就是在冷却水系统中S7-200的应用。

二、系统结构、主要控制对象及工艺过程

如下图所示，系统由一台冷冻机、4台冷却塔风机及3台冷却水泵组成。

系统启动后，控制系统通过变频器启动1#冷却水泵，同时调节变频器频率，使单位时间内流经冷却塔的水量增多，进而达到降低冷却水水温的目的。

与此同时，冷却塔风扇根据冷却水的回水温度控制冷却塔风扇开启数量。当冷却水回水温度高于28℃时，开启第一台冷却塔风机；当冷却水回水温度高于29℃时，开启第二台冷却塔风机；以此类推，当回水温度高于30℃时，开启第三台冷却塔风机；当回水温度高于31℃时，开启第四台冷却塔风机；

与此同时，冷却塔风扇根据冷却水的回水温度控制冷却塔风扇开启数量。当冷却水回水温度高于28℃时，开启第一台冷却塔风机；当冷却水回水温度高于29℃时，开启第二台冷却塔风机；以此类推，当回水温度高于30℃时，开启第三台冷却塔风机；当回水温度高于31℃时，开启第四台冷却塔风机；

随着冷却塔风机开启的数量的增加及水系统热量的散发，冷却水水温逐渐下降，当回水温度低于30.5℃时，关闭第四台冷却塔风机，以减少电力消耗；当回水温度低于29.5℃时，关闭第三台冷却塔风机；同样，随着系统冷、热负荷的相对平衡或热负荷的减少，回水温度的逐渐降低，系统将自动将第二台、第一台冷却塔风机切除，以减少电力的损耗。

当系统运行一段时间，变频器运行频率达到49HZ，而冷却水送回水温度差大于4.2℃，并超过20秒，系统将判定此时冷热交换程度不足以满足系统需求，系统第一台水泵应切换至工频运行，同时将启动第二台冷却水泵，并通过变频器调节变频器运行速率，使送回水温差逐渐减小。

当冷却水送回水温差逐渐缩小且低于设定值后，系统根据PID算法将逐渐减小变频器运行频率，以减少单位时间内流经冷却塔的冷水量，减小制冷效果，同时也可以减少电力损耗。

三、系统的PLC及HMI配置

根据具体的I/O和控制要求，系统仅需配置CPU214 XP、EM221、MT4400T。

CPU 214XP1、采集水泵状态、水泵故障、变频器状态、

故障及冷冻机状态、故障。

2、采集送水温度及回水温度

3、发出启动水泵、冷却塔风机指令

4、给出变频器运行频率

EM221 用于采集4台冷却塔风机运行状态及故障。

图3：系统控制结构图MT4400T触摸屏用于操作员启动系统、监视冷却水送回水温度及水泵运行状态。

因为控制系统的控制目的比较单一，但结构比较复杂。考虑到系统稳定性及可靠性，再结合成本控制需要，故采用西门子S7-200系统，而S7-200系统的可扩展性也为将来系统可能增加负荷、增加设备而提供了支持。

四、程序编制

（一）：工艺需求

1、系统启动后，变频器根据冷却水送回水温差调节运行频率，因为系统启动时，送回水温差会比较大，可能导致系统一旦启动，变频器即以高频率运行，对管网形成冲击。

2、系统启动的同时根据冷却水回水温度（冷却塔送至冷冻机，以下同）与工艺要求温度对比，确定冷却风机启动台数，但此时因为系统刚启动，整个系统冷量与热量平衡需要一段时间，故应依次启动冷却风机。

3、在冷却塔风机开启的同时，变频器调节频率至接近工频（50HZ）超过一定时间后，冷却水回水温度仍不能降低时，此时高频率运行的水泵（亦为第一台泵，以下同，因业主需要随机选择任意泵为首先启动的泵，因此无法直接定义哪台泵）切换至工频运行，同时再启动另一台水泵，此时如何做到无扰切换是个难题。

4、在第一台冷却水泵切换至工频，第二台冷却水泵开启并通过并实现变频器调频后，若此时冷量与热量找到平衡，冷却水回水温度可能会因为切换后的高频率而使回水温度降低，此时系统根据需要减少变频器频率。如果频率降到足够低时，应重新切换回初始状态（即后启动的第二台冷却水泵停机，第一台冷却水泵切换至变频运行）。因为此时的变频器给定频率已足够低，此时的切换又如何进行？

5、工艺要求三台冷却水泵可自由选择其中两台开启，以防止长期使用固定两台水泵带来系统运行的风险。若需要对水泵检

修，也可保证有2台冷却水泵的

图4：系统运行流程图运行。

（二）、程序思路

针对以上业主提供的工艺需求，我方提供了以下方案：

1、 在监控系统界面内设置一系统启动按钮，操作员若按下系统启动按钮，首先给变频器启动信号。而变频器PID调节与系统启动信号联锁，当系统启动后，PID才开始运算。此方式可缓慢启动水泵而不至于对管网形成冲击。

2、 对于冷却塔风机开启方式，我方设计两种方案，（1）可设计当第一台风机开启时开始计时，依据此定时器判断是否需要启动第二台、第三台、第四台冷却塔风机。但此方案导致定时容易混乱，且不易控制。（2）因冷却塔冷却水温效果较慢，可设计四台风机均根据回水温度确定开启数量，根据风机开启的温度与风机停止的温度的不同来判断开、停风机。

事实证明第二种控制效果很好。

3、 当需要将第一台水泵切换至工频，而将第二台水泵启动并根据送回水温度差调频时，可在切换时间内将变频器调频输入置为0HZ，切换完成后再将PID输出切换至变频器输入。但此时间不宜太长，亦不能太短，根据反复试验，最终确定0.3S时，切换效果最好。

4、 当需要将系统切换至起始运行状态，可设置当变频器PID调节输出≤5HZ、同时冷却水送回水温差≤3.8℃时，将切换命令复位为0。切换至起始运行状态。但此时发现一个问题，就是此时PID输出已经≤5HZ，若将该输出接入变频器，则变频器可能有很长一段时间运行在≤5HZ的情况。

所以对与变频器，应设置运行下限频率（即变频器频率给定低于一定值后，变频器即一直以下限频率运行，而忽略频率给定值），防止变频器长期运行在低频率下，对变频器造成损害。

5、 在系统二次线路图上设置一转换开关，通过硬件的转换来达到选择任意两台冷却水泵运行的目的。

五、结束语

通过对以上的思路分析及总结，设计好程序并进行现场调试，系统于2009年1月调试完成。该系统2009年3月开始投入运行至今，用户反映运行良好，到目前未出现任何问题。与老厂房冷却水系统相比，更稳定，节能效果非常明显。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。