冷凍水供水自動控制系統(tǒng)設計

王 鵬 李東濱 王華林 董傳友

（哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080）

隨著科學技術的發(fā)展，電氣控制技術在各個領域已得到越來越廣泛的應用?？删幊炭刂破鳎≒LC）作為一項新技術正快速地改變著電氣控制技術的面貌，在工業(yè)控制領域得到了十分廣泛的應用[1]。組態(tài)軟件是隨著分布式控制系統(tǒng)及計算機技術的日趨成熟而發(fā)展起來的。隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，組態(tài)軟件使得監(jiān)控設備之間的互連變得更加簡便，提高了自動化工程的工作效率，減少了維護和升級費用[2]。本文基于西門子公司S7-200系列PLC及北京亞控公司“組態(tài)王”組態(tài)軟件,設計開發(fā)了中國第一汽車集團公司技術中心發(fā)動機實驗室的冷凍水供水自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)了供水的自動化控制, 并能夠根據(jù)用水量自動調(diào)節(jié)冷水設備的功率及開關情況。保證恒溫、恒壓供水：冷凍水出水溫度控制精度為6±1℃，冷凍水供給到各個供水點時，溫度的穩(wěn)定性（溫度變化）≤1℃（5min內(nèi)溫度的變化梯度）；冷凍水供給到各個供水點的壓力為3～4ba（r最低供水壓力點≥3 bar，最高供水壓力點≤4bar）。

1 系統(tǒng)工藝簡介

冷凍水供水設備位于技術中心院內(nèi)的一個泵房內(nèi)，平面布局圖如圖1所示。

圖1 冷凍水供水設備平面圖

發(fā)動機實驗室使用過的高溫廢水經(jīng)管道（圖 1左側(cè)管道）回流到泵房，經(jīng)水處理器凈化后，由一次定頻水泵抽到冷水機組中冷卻；冷卻后的冷凍水經(jīng)二次變頻水泵抽到出水口（圖1右側(cè)管道），提供給發(fā)動機實驗室使用。該系統(tǒng)實現(xiàn)了水的循環(huán)使用，節(jié)約了水資源。主要實現(xiàn)以下 6項功能：①5臺一次定頻水泵（用于給冷水機組提供進水）控制；②4臺二次變頻水泵（位于冷水機組出水口，給供水管路供水）控制，實現(xiàn)管路水壓控制；③定壓機組以及相應的電動閥門控制；④水溫的監(jiān)測與控制；⑤冷水機組運行狀況的監(jiān)測；⑥整個供水系統(tǒng)的中央集中監(jiān)控。

2 硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構

控制系統(tǒng)采用集散控制，如圖2所示。由中央控制計算機（上位機）、PLC（下位機）、觸摸屏、通訊網(wǎng)絡及控制軟件構成，該結(jié)構具有較高的可靠性及可維護性。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構

中央控制計算機協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，任務包括系統(tǒng)運行狀況的監(jiān)測、下位機工作參數(shù)的設定與修改、冷水機組運行狀況的監(jiān)測及機組運行參數(shù)的設定與修改、系統(tǒng)運行狀況數(shù)據(jù)庫及異地遠程監(jiān)控功能。下層PLC模塊（下位機）共4臺，在中央控制計算機的協(xié)調(diào)下工作，從而使冷凍水出水溫度及壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。其中，3臺冷水機組均自帶PLC模塊，自動控制冷水機組的運行；系統(tǒng)綜合控制柜中的PLC模塊通過和中央控制計算機通信實現(xiàn)各參數(shù)的實時采集及下層設備的控制，同時還要和3臺冷水機組的PLC模塊進行通信，讀取機組運行參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)要求對機組進行控制。觸摸屏為用戶提供了手動操作及調(diào)試維護的界面。下層需監(jiān)控的設備包括冷水機組 CW390一臺、CW840兩臺、變頻器兩臺、一次定頻水泵（15kW）5臺、二次變頻水泵（22kW）4臺、冷卻水泵兩臺、全程水處理儀一臺、定壓機組一臺、電動蝶閥門18個。需實時顯示的參數(shù)有：供水及回水溫度、供水及回水壓力、供水流量、冷卻水循環(huán)子系統(tǒng)出、回水溫度、二次變頻水泵及冷卻水泵工作頻率，以上參數(shù)由相應傳感器及變頻器反饋提供。

在網(wǎng)絡中，中央控制計算機地址為 0，它除了承擔控制整個系統(tǒng)自動運行等任務外，在設計調(diào)試期間還作為編程設備；人機界面的地址為 1，系統(tǒng)綜合控制柜PLC地址為2，3臺冷水機組控制PLC地址分別為3、4、5。網(wǎng)絡的組態(tài)在STEP7中來完成，主要包括設置最高地址、通信速率等參數(shù)。在本系統(tǒng)網(wǎng)絡中，為提高通信速度，設定的最高地址為15，通信速率設定為19.2 kbit/s。

2.2 PLC配置

根據(jù)系統(tǒng)設計要求，在最大限度地滿足自動控制要求的前提下，為了使系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、安全可靠，并考慮到今后工藝的改進，選擇了西門子S7-200系列中的CPU 226及擴展模塊EM223、 EM231、EM232。其中CPU 226一塊，EM223三塊，EM231兩塊，EM232一塊。

CPU 226：CPU 226 AC/DC/RLY 為交流供電，直流數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出點是繼電器觸點，有24個輸入點，16個輸出點。其主要任務如下。

1）與遠程監(jiān)控計算機實時通信，將現(xiàn)場設備的狀態(tài)及參數(shù)傳遞給計算機，接受遠程監(jiān)控計算機的命令并執(zhí)行相應操作。

2）控制3個冷水機組，需與它們進行通信。

3）其他設備的控制：包括5臺一次水泵、4臺二次水泵、18個電動閥、2臺變頻器。

4）模擬量輸入：包括出、回水壓力，出、回水溫度，出水流量等。

EM223 為數(shù)字量輸入/輸出擴展模塊，它有 6種類型。本項目選用其中的16點24V DC輸入/16點繼電器輸出。EM231是模擬量輸入模塊，4通道電流/電壓輸入。EM232是模擬量輸出模塊，2通道電流/電壓輸出。本項目使用的數(shù)字量及模擬量情況如表1所示。

表1 I/O點表

3 軟件設計

3.1 PLC程序設計

PLC程序采用梯形圖編寫，在 Siemens公司的STEP7軟件平臺下完成。本系統(tǒng)采用模塊化程序設計，將系統(tǒng)中相對獨立的功能編程成模塊，這樣既增加了程序的可讀性，又減少了編程重復部分的工作量。

1）系統(tǒng)控制流程

操作者只需在監(jiān)控軟件中選擇自動控制方式，并按下運行按鈕，整個供水自動控制系統(tǒng)的設備按圖3所示的流程依次起動。運行過程中，系統(tǒng)會根據(jù)用進出口的水壓差和溫度差自動調(diào)節(jié)下層設備的開關及工作頻率。停止過程與此相反。

圖3 冷凍水供水設備平面圖

2）供水壓力的自動調(diào)節(jié)

由于發(fā)動機實驗室對冷凍水的需求量并不是保持不變，所以要求系統(tǒng)能夠在人不干預的情況下，自動檢測并進行供水壓力的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)在一次定頻水泵開啟以后根據(jù)冷凍水總進水，回水管道上的水壓差來控制變頻水泵的開啟頻率和數(shù)量。其中變頻調(diào)節(jié)因不同的工程需要，而不同。本項目中采用如下方式進行變頻

式中，f為變頻器輸出；f0為基頻；Tpv為溫差過程值；Tsp為溫差設定值；Psp為壓力設定值；PPV為壓力過程值；C1為溫差調(diào)節(jié)系數(shù)；C2為壓差調(diào)節(jié)系數(shù)；△t為調(diào)節(jié)周期。變頻調(diào)節(jié)時，以2△t為時間間隔對溫差過程值及壓力過程值采樣，當溫差偏離設定值時按上述公式調(diào)節(jié)變頻器輸出；當壓力小于設定值時，按以上公式調(diào)節(jié)變頻器輸出。調(diào)節(jié)過程中確保變頻器輸出值在基頻（40Hz）到變頻器最大輸出（50Hz）之間，若按公式計算的結(jié)果低于基頻，則按基頻對待；若按公式計算的結(jié)果高于變頻器最大輸出，則按變頻器最大輸出對待。其控制流程如圖4所示。

圖4 二次變頻泵調(diào)節(jié)流程圖

3.2 遠程監(jiān)控軟件設計

中央控制計算機通過運行所設計的遠程監(jiān)控軟件[3]實現(xiàn)對供水自動控制系統(tǒng)的遠程狀態(tài)監(jiān)視和自動控制，其功能主要包括：①監(jiān)視現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)；②冷凍水集中供水的自動控制；③設備的手動操作與運行參數(shù)的設定；④運行參數(shù)、變化曲線的實時顯示及歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢；⑤故障報警。遠程監(jiān)控軟件主要由系統(tǒng)工藝總體畫面（如圖1所示）、手動操作控制畫面、自動參數(shù)設定畫面、歷史趨勢記錄畫面、報警匯總記錄畫面等五個部分組成。各畫面間通過按鈕可自由切換。

遠程監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件“組態(tài)王”開發(fā)?！敖M態(tài)王”是北京亞控公司生產(chǎn)的一款全中文組態(tài)軟件，編程簡單，使用方便，功能強大，具有較高的性價比。組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的設備或程序都作為外部設備（即下位機）。外部設備包括：PLC、儀表、板卡等，它們一般通過串行口和上位機交流數(shù)據(jù)。只有在定義了外部設備之后，組態(tài)王才能通過I/O變量和它們交換數(shù)據(jù)[4]。選用計算機的COM1經(jīng) MPI電纜與下層進行通信，該電纜帶有RS232/485轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)RS232與RS485標準的轉(zhuǎn)換。通信速率為19.2kbit/s，數(shù)據(jù)格式為8n1。

3.3 多主站通信程序設計

如圖2所示，供水自動控制系統(tǒng)采用RS-485總線構建了兩層的分布式控制系統(tǒng)，中央控制計算機是整個系統(tǒng)上層的控制中心。下層控制核心為CPU 226除了要與中央控制計算機實時通信完成數(shù)據(jù)采集及遠程控制等功能外，還需要與3臺冷水機組中的PLC進行通信，采集各機組工作狀態(tài)參數(shù)并對它們進行控制。S7系列的PLC提供的網(wǎng)絡讀寫指令幫助解決了這個難題。網(wǎng)絡讀指令NETR（Network Read）的作用為初始化通信操作，通過通信端口接收遠程設備的數(shù)據(jù)并保存在表（TBL）中。網(wǎng)絡寫指令 NETW 的作用為初始化通信操作，通過指定的端口向遠程設備寫入表（TBL）中的數(shù)據(jù)[5]。

STEP7編程軟件提供了網(wǎng)絡讀寫指令向?qū)韼椭脩羯删W(wǎng)絡讀寫程序。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)綜合控制柜PLC需要與3臺冷水機組分別通信讀取每臺機組壓縮機能調(diào)閥狀態(tài)，壓縮機油位開關、高壓開關、低壓開關故障，排氣壓力傳感器、出水溫度傳感器、吸氣壓力傳感器，機組運行狀態(tài)等14個開關量的狀態(tài)，三通閥的開度，起動倒計時等兩個參數(shù)的數(shù)值；并需要對每臺機組開、停機溫度，能調(diào)、出水溫度，吸氣、排氣壓力，系統(tǒng)及旁通閥開度等10個參數(shù)進行設定，遠程本地選擇，開機及復位按鈕等3個開關進行控制。

4 結(jié)論

為了提高供水質(zhì)量，保證充足的水量供應和穩(wěn)定的水壓,采用多臺水泵構成恒壓供水控制系統(tǒng)應用場合越來越多。因此開發(fā)可靠性高、控制性能好的恒壓供水自動控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實應用價值。本文所設計的供水自動控制系統(tǒng)雖為專門的客戶開發(fā)，但具有一定的推廣價值。該系統(tǒng)自2007年投入使用以來，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，使用方便，易于維護，用戶反響較好。

[1]張萬忠.可編程控制器入門與應用實例[M].北京:中國電力出版社,2004:1-5.

[2]倪旻.工業(yè)控制組態(tài)軟件的產(chǎn)品對比及發(fā)展趨勢[J].測控技術,2000,19(9):38-40.

[3]李東濱,王鵬,張開玉.基于組態(tài)王的供水自動控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件設計[J].PLC & FA, 2009(10):77-79.

[4]任勝杰,周俊華.組態(tài)王在供水監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].電氣時代,2003(9):64-65.

[5]廖常初. PLC編程及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:141-143.