基于S7_300混合礦物質(zhì)水設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘 要： 該文圍繞混合礦物質(zhì)水處理系統(tǒng)工藝，主要介紹了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、硬件配置和軟、硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以西門子S7-300 系列 PLC 為控制核心，并運(yùn)用西門子SIMATIC STEP7和WINCC Flxible編程軟件編寫了相應(yīng)控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

關(guān)鍵詞：混合礦物質(zhì)水；STEP 7編程軟件；WINCC Flxible組態(tài)軟件

引言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)飲用水的水質(zhì)要求也越來(lái)越高，各種先進(jìn)的水處理設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，目前，根據(jù)市場(chǎng)的需求研發(fā)混合礦物質(zhì)水的設(shè)備將具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文根據(jù)混合礦物質(zhì)水設(shè)備的工藝要求，采用西門子S7-300 PLC[1]為控制核心所研發(fā)設(shè)備主要用于大型飲用水生產(chǎn)企業(yè)，能夠?qū)⒏叩V物質(zhì)水與純凈水按照一定比例配制，滿足一定的電導(dǎo)率要求，同時(shí)，經(jīng)過(guò)后期工藝處理，達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

一套礦水配置設(shè)備主要有以下三部分組成：純水與礦水比兌部分；混合緩存部分；水量輸出部分。該設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，

要想完成純水與礦水的比兌，達(dá)到一定的電導(dǎo)率，首先要有測(cè)量其純水和礦水的電導(dǎo)率的測(cè)量傳感器，并把所測(cè)量數(shù)值發(fā)送到控制器中，控制器根據(jù)其實(shí)時(shí)電導(dǎo)率對(duì)高礦物質(zhì)水流量做PID控制[2]。由于在PID過(guò)程中有一定得延遲和滯后性，需要增加混存罐，對(duì)其進(jìn)行緩存，使其在流量變化的瞬間產(chǎn)生的偏差得以緩和，增加電導(dǎo)達(dá)標(biāo)率。在混合完全后，需要把比兌水輸入到水輸入管路中，根據(jù)各個(gè)管路的開(kāi)啟度，以PID調(diào)節(jié)方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水流量，同時(shí)把實(shí)時(shí)流量反饋到控制器中，當(dāng)做純水流量的參考值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：系統(tǒng)硬件主要由水泵（包含變頻電機(jī)）、變頻器、壓力傳感器、氣動(dòng)閥門、電導(dǎo)率傳感器、流量計(jì)，控制器，HMI（人機(jī)界面），直流電源，閥島，電機(jī)保護(hù)器，接觸器，負(fù)荷開(kāi)關(guān)，按鈕，指示燈等組成。動(dòng)力電源采用380V交流，控制電源為24VDC，分別為控制器和控制元器件提供電源，模擬信號(hào)為4-20mA。電機(jī)保護(hù)器的選取以脫扣等級(jí)為10，整定電流以40℃時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的額定電流。負(fù)荷開(kāi)關(guān)本身具有隔離開(kāi)關(guān)，用于在泵本身的維修時(shí)的鎖定?？刂齐娫捶峙涠俗忧岸蔚脑骷钠钐嵝延砂惭b在面板上的指示燈完成，后端的則由HMI的報(bào)警信息提示。

西門子S7-300 PLC是模塊化小型PLC系統(tǒng)，完全滿足中、小規(guī)模的性能要求，同時(shí)硬件維護(hù)方便。人機(jī)界面（HMI） 已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，用戶只需在人機(jī)界面（HMI）中輸入數(shù)據(jù)，S7-300就會(huì)自動(dòng)地按用戶命令傳送與處理數(shù)據(jù)[3]。因此，本系統(tǒng)控制器選取西門子S7-300系列， HMI選取MP系列觸摸屏，從而方便高效的完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

系統(tǒng)中輸水泵變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能，我們預(yù)先在該變頻器內(nèi)給出了設(shè)定值。輸出壓力傳感器將數(shù)據(jù)首先傳送到控制器，再由控制器把數(shù)據(jù)傳送給變頻器，同時(shí)HMI通過(guò)通訊總線接受來(lái)自控制器的數(shù)據(jù)，并在界面將壓力值顯示出來(lái)。對(duì)于純水泵和高礦水泵的控制主要由PLC控制器發(fā)出信號(hào)控制相應(yīng)的變頻器，根據(jù)對(duì)應(yīng)的流量值把頻率模擬量信號(hào)發(fā)送給變頻器來(lái)控制變頻器的輸出。對(duì)于變頻器本身的控制信號(hào)由控制器驅(qū)動(dòng)繼電器完成，從而實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)變頻器控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件采用SIMATIC STEP7和WINCCFlxible編程[4]，是西門子公司推出的面向其產(chǎn)品本身的編程平臺(tái)。該平臺(tái)不僅提供了編輯平臺(tái)，還具有各種測(cè)試、通信、控制和數(shù)值分析的能力，具有控制功能強(qiáng)大、庫(kù)函數(shù)豐富、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、編程容易等優(yōu)點(diǎn)。為了日后的更新、維護(hù)與拓展，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的思想，整個(gè)系統(tǒng)分為PLC程序和HMI程序，其中PLC分為常用信號(hào)模塊，功能模塊，報(bào)警信號(hào)處理模塊，通訊模塊，熱啟動(dòng)模塊，以及PLC本身故障模塊，時(shí)間中斷模塊，PID處理模塊。HMI程序分為畫(huà)面程序，報(bào)警信息模塊，手動(dòng)操作模塊，曲線模塊，PID參數(shù)輸入模塊，報(bào)告模塊，以及打印模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖圖如圖3所示：

在軟件設(shè)計(jì)中，最為重要的是PID程序模塊和功能模塊，功能模塊主要完成的是數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換，PID模塊主要完成的是純水泵和礦水泵對(duì)流量的處理和頻率的輸出。在實(shí)際設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)混合水的生產(chǎn)工藝要求及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過(guò)對(duì)PID參數(shù)的不斷調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了最佳的控制狀態(tài)。調(diào)整界面如圖4所示。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)以工業(yè)控制器為平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。該系統(tǒng)已用于某大型飲用水制造企業(yè)，實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有測(cè)試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，滿足了用戶的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[2]陳景平，西門子 S7-300/400 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京，清華大學(xué)出版社，2009

[3]用于S7-300/400系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)功能的系統(tǒng)軟件參考冊(cè)[Z].2004.

[4]SIMATIC HMI WinCC flexible 2008 使用手冊(cè)