水廠自動(dòng)投釩系統(tǒng)改造

(廣東省高級(jí)技工學(xué)校,廣東 惠州 516100)

1 引言

改造前該水廠已經(jīng)在使用變頻器控制三相電機(jī)人工手動(dòng)的方法投放明礬，而且工作人員會(huì)根據(jù)待濾水(處理后的水)濁度高低，旋動(dòng)電位器改變變頻器的頻率輸出，進(jìn)而改變明礬投放量。在此基礎(chǔ)上，并按照廠方要求，采取公式法，用西門子S7-200PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)投放明礬進(jìn)行自動(dòng)化改造。根據(jù)源水的溫度、pH、流量、以及濁度自動(dòng)控制明礬投入量。PLC廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制器，其性能穩(wěn)定、編程簡(jiǎn)單明了，使用方便，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電氣一體化的優(yōu)良工具，因此以PLC作為控制器。而且能夠與組態(tài)軟件以及傳感器進(jìn)行良好的通信，抗干擾性強(qiáng)，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來保障。

2 改造內(nèi)容

水處理原理根據(jù)某研究所提供明礬投放的公式，并且安裝好水質(zhì)傳感器(pH、溫度、流量、濁度)。電氣執(zhí)行部分利用西門子S7-200PLC與傳感器通信，讀取上述數(shù)據(jù)，然后代入經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出投礬量，經(jīng)過PLC運(yùn)算處理后，輸出一個(gè)模擬量給變頻器，投礬泵便以變頻器輸出頻率工作；投礬泵的工作強(qiáng)度會(huì)隨著上述各水質(zhì)參數(shù)的變化而變化。電氣監(jiān)控部分是北京三維力控的組態(tài)軟件，組太軟件主要用于顯示并記錄各水質(zhì)參數(shù)，以及明礬自動(dòng)投放的啟?？刂?。這樣便于水廠員工日常水處理工作。

3 系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

3.1 水廠原來的控制系統(tǒng)

圖1 改造前控制圖

3.2 改造后系統(tǒng)原理圖

圖2 改造后系統(tǒng)原理圖

改造后的系統(tǒng)主要用PLC采集傳感器的測(cè)量值，把各個(gè)測(cè)量值代入一條經(jīng)驗(yàn)公式，然后計(jì)算出投藥量，通過公式轉(zhuǎn)換后，投藥量可以轉(zhuǎn)化成變頻器頻率輸出，最后再由變頻器控制計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速。

3.3 控制系統(tǒng)用到的硬件

西門子S7-224CN PLC(1個(gè))；CP243-1網(wǎng)絡(luò)模塊(1個(gè))；EM232模擬量輸出模塊(1個(gè))；施耐德繼電器(4個(gè))；西門子的觸摸屏WINCC(1個(gè))；24V開關(guān)電源(1個(gè))；漏電斷路器(1個(gè))；上位機(jī)電腦(1臺(tái))。

3.4 控制系統(tǒng)用到的軟件

(1)STEP7 Micro/WIN;(2)Force Control 7.0。

4 PLC的程序編寫

4.1 MODBUS程序快

ASCI自由口通信需要對(duì)PLC的通信格式進(jìn)行設(shè)置(波特率，奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位I模式在西門子S7-200PLC里面是用自由口通信實(shí)現(xiàn)的。編程實(shí)現(xiàn)自由口通信的步驟如下：在西門子PLC里面，則需要對(duì)特殊寄存器SM30進(jìn)行設(shè)置：本課題選擇自由口通信，b1 b0為01；波特率為9600，則b4 b3 b2為010；數(shù)據(jù)位為8位，則b5為0；校驗(yàn)性為不校驗(yàn)，則b7 b6為00。綜上所述SM30的值為000 010 01；16進(jìn)制則為9。

4.2 S7-200的數(shù)字量與模擬量

西門子PLC的模擬量輸出是比較簡(jiǎn)便的，在程序里只需要用一條MOV_W指令便可實(shí)現(xiàn)EM232模擬量模塊的模擬量輸出。首先需要確認(rèn)模擬量模塊(EM232)的位置，是PLC數(shù)起的第幾個(gè)模塊，本項(xiàng)目模擬量模塊在第二個(gè)模塊。再確定模擬量輸出的通道，是通道#1還是通道#2。如果選擇從通道#2進(jìn)行模擬量輸出，那么該通道對(duì)應(yīng)的寄存器為AQW4之后把數(shù)字量的值賦給AQW4便可(如圖3所示)。

圖3 模擬量輸出程序

關(guān)于AQW的尋址方法：第一個(gè)模塊的第一個(gè)通道為AQW0，第二個(gè)通道為AWQ2；第二個(gè)模塊的第一個(gè)通道為AQW4,第二個(gè)通道為AQW6。西門子S7-200PLC的數(shù)字量，單極性輸入輸出為0～32000，雙極性輸出輸出量為-32000～32000。EM232的模擬量輸出(該模塊為模擬量輸出模塊，不支持模擬量輸入)，該模塊的模擬量輸出分成電流輸出與電壓輸出，電流輸出的范圍是4～20mA，電壓輸出的范圍為0～5V或者0～10V，本次使用的是0～5V。

4.3 S7-200模擬量輸出控制松下VF-7F變頻器

首先確認(rèn)松下變頻器(改造前就有)的模擬量輸入類型，根據(jù)松下VF-7F變頻器的說明書上的接線說明，端子2與端子10短接才是電流輸入(如圖4所示)。而我在現(xiàn)場(chǎng)用萬用表檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這兩端子并沒有短接，所以的話，可以確認(rèn)該變頻器的模擬量輸入類型為電壓輸入。

圖4 松下VF-7F變頻器接線圖

確認(rèn)了是電壓輸入后，再確認(rèn)電壓輸入的范圍。測(cè)試方法是把頻率調(diào)到最大，再用萬用表測(cè)量電位器兩端的電壓，測(cè)得為5V。在PLC中寫一條程序，把數(shù)字量賦值給AQW4或者AQW6。為PLC模擬量輸出有效，變頻器的頻率顯示。

4.4 PLC與各傳感器的通信接線圖

圖5 西門子S7-200PLC 與各傳感器MODBUS通信接線圖

4.5 PLC與各傳感器的通信程序(PLC發(fā)送命令部分)

由于西門子S7-200PLC的RS-485通信接口需要同時(shí)只能處理1個(gè)接收請(qǐng)求以及1個(gè)發(fā)送請(qǐng)求，所以為了迎合這個(gè)特點(diǎn)，我規(guī)定了每3秒發(fā)送一次讀取請(qǐng)求，讀取每個(gè)傳感器的測(cè)量值，第5個(gè)傳感器都讀取完后，再次讀取第 1個(gè)傳感器的測(cè)量值，以此類推，不斷地循環(huán)。以下介紹每種傳感器的通信程序。

(1)流量計(jì)(2)濁度儀(3)PH儀

PH儀的通信協(xié)議選用MODBUS，內(nèi)部已設(shè)定波特率為9600bps。每個(gè)請(qǐng)求之間的間隔要大于500ms。

(a)PH儀通信例子

PH模式舉例說明：

PLC發(fā)送：08 03 00 00 00 0C 45 56

PH表返回：08 03 0C 30 36 2E 38 36 01 20 32 35 2E 31 00 7F EF

返回命令注釋：

① 08為485地址；

② 03為功能碼，讀取ph值或ORP值；

③ 0C 為返回PH值和溫度值的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度:固定值12；

④ “30 36 2E 38 36” 為返回的PH值(ASCII)：06.86；

⑤ “32 35 2E 30” 代表溫度：25.0°。

(b)PLC關(guān)聯(lián)程序(如圖6所示)

5 組態(tài)軟件

北京三維力控組態(tài)軟件(以下簡(jiǎn)稱組態(tài)軟件)是一個(gè)集成的工業(yè)控制軟件產(chǎn)品。本改造中使用的版本Force Control V7.00。本次改造需要用到組態(tài)軟件用戶登錄功能、組態(tài)軟件曲線顯示功能、組態(tài)軟件報(bào)表功能、組態(tài)軟件報(bào)警功能、曲線監(jiān)控界面、報(bào)表查詢界面、報(bào)警界面。

圖6 PLC讀取PH值通信程序

5.1 北京三維力控組態(tài)軟件與西門子S7-200PLC

(1)I O設(shè)備組態(tài)

組態(tài)軟件支持多種通信方式，也支持與多種I O設(shè)備的通信。西門子S7-200PLC是其中之一。在PLC側(cè)把ETHx_CTRL設(shè)置好。然后在組態(tài)軟件編輯器上設(shè)置好“I O設(shè)備組態(tài)”便可順利進(jìn)行通信。以下介紹通信的具體步驟。

步驟1：在組態(tài)軟件編輯器工程視窗中找到“I O設(shè)備組態(tài)”，再找到“PLC”，再找到“SIEMENS西門子”，最后雙擊“S7-200 TCP協(xié)議”。

步驟2：填寫“設(shè)備名稱”，設(shè)置“更新周期”，“超時(shí)時(shí)間”，“通信方式”選擇“TCP/IP網(wǎng)絡(luò)”，其他可選擇默認(rèn)參數(shù)。點(diǎn)擊下一步繼續(xù)進(jìn)行設(shè)置。

步驟3：設(shè)置IP地址，該地址客戶機(jī)IP地址必須一樣。其他參數(shù)選擇默認(rèn)

步驟4：設(shè)置“TSAP(PLC)以及TSAP(PC)”可以選擇默認(rèn)的“10.00”。

步驟5：點(diǎn)擊完成，便可在I O設(shè)備組態(tài)的列表中看到剛剛設(shè)置過的設(shè)備組態(tài)。如圖7所示。

圖7 I O設(shè)備組態(tài)列表內(nèi)容

5.2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

數(shù)據(jù)庫組態(tài)即為數(shù)據(jù)源連接，是組態(tài)軟件與PLC建立起通信之后必須鏈接好數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行正常的組態(tài)。以下介紹數(shù)據(jù)庫組態(tài)的步驟。

步驟1：按路徑進(jìn)入數(shù)據(jù)庫組態(tài)“工程視窗-數(shù)據(jù)庫組態(tài)”；

步驟2：在出現(xiàn)的頁面中，雙擊表格控制處，選擇“模擬I O點(diǎn)”；

步驟3：設(shè)置基本參數(shù)，點(diǎn)名，點(diǎn)說明，上下限值設(shè)置；

步驟4：進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，點(diǎn)擊菜單欄的“數(shù)據(jù)連接”，點(diǎn)擊“增加按鈕”；

步驟5：設(shè)置數(shù)據(jù)類型，連接西門子PLC的寄存器，最后點(diǎn)擊確定按鈕(如圖8所示)。

圖8 數(shù)據(jù)連接

6 結(jié)束語

經(jīng)過前期的現(xiàn)場(chǎng)考察，方案制定，控制器選型，控制器電柜原理圖設(shè)計(jì)，到中期的通信測(cè)試，組態(tài)軟件的編輯，再到最后的結(jié)合實(shí)際進(jìn)行5個(gè)傳感器的通信功能實(shí)現(xiàn)，程序編寫調(diào)試，組態(tài)界面定稿，完成了一個(gè)較為完整的自動(dòng)投礬系統(tǒng)?；緦?shí)現(xiàn)了PLC控制明礬自動(dòng)投放的過程，處理效果也讓水廠人員滿意。

[1] 西門子中國.西門子S7-200-中文編程手冊(cè)[Z].2004.

[2] 盛新.西門子S7-200PLC的RS-485通信接口簡(jiǎn)介及故障解析[M].2007.

[3] 向曉漢.西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[4] S7-200系列PLC的基本硬件組成[J].中國工控網(wǎng),2013.

[5] 松下VF-7F變頻器操作說明書[Z].