基于MCGS和PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)

李義

摘 要：基于MCGS開發(fā)平臺，利用可編程控制器PLC和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一套恒壓供水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用PLC控制變頻子系統(tǒng)，實現(xiàn)水壓恒定控制，用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計了遠程監(jiān)控程序。MCGS的應(yīng)用使得開發(fā)更加容易，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。上位機通過串行口與PLC通信，實現(xiàn)在上位機中實時設(shè)定壓力，觀測壓力實際值和水壓系統(tǒng)的各種狀態(tài)。整個系統(tǒng)實際運行效果穩(wěn)定，操作方便，能滿足恒壓供水控制的應(yīng)用需要，同時可實現(xiàn)供水系統(tǒng)的遠程和本地的手自動切換控制。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；MCGS；恒壓供水；遠程監(jiān)控

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.041

供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)，尤其對于現(xiàn)代電子制造產(chǎn)業(yè)而言，穩(wěn)定的水源供應(yīng)更是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要組成部分?；趥鹘y(tǒng)方式的供水控制系統(tǒng)中，水泵的控制多為電力拖動方式，水泵工作在工頻下，水量的調(diào)節(jié)由閥門的開度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，這樣容易早成“水錘效應(yīng)”和能源的巨大浪費。在實際生產(chǎn)過程中，由于用水點數(shù)量的不確定，經(jīng)常導(dǎo)致管網(wǎng)水壓不穩(wěn)定，從而使得用水點的出水壓力在用水高峰和低谷的壓力過低或過高，對生產(chǎn)及其設(shè)備造成了很大的影響，嚴重情況下甚至會造成設(shè)備的損壞。采用恒壓供水方式供水，可以很好的解決傳統(tǒng)供水方式的諸多弊端，由于變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)控制技術(shù)的成熟及完善，可以很方便的組成恒壓供水系統(tǒng)，這樣不僅可以擴大水泵的高效運行，提高效率，節(jié)約能源，提高供水服務(wù)質(zhì)量，還可為安全高效生產(chǎn)提供一定的保障。本文主要介紹了基于MCGS平臺，采用西門子S7-200PLC結(jié)合MM440型變頻器進行控制的恒壓供水控制系統(tǒng)。

1 恒壓供水控制系統(tǒng)的功能及實現(xiàn)

1.1 基本工作原理

本系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過觸摸屏或者上位機自由設(shè)定所需壓力，當壓力設(shè)定好后，根據(jù)變頻恒壓原理，利用安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，對管網(wǎng)水壓進行數(shù)據(jù)采樣，并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號送入PLC，與設(shè)定壓力進行比較和運算，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，送給變頻器，變頻器據(jù)此調(diào)節(jié)水泵電機的電源頻率，進而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，使供水管網(wǎng)中的壓力保持在設(shè)定壓力上，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)組成及功能

本系統(tǒng)由水泵、PLC、變頻器、壓力傳感器、水泵斷路器、接觸器、中間繼電器等組成。用戶可通過指示操作面板上的指示燈、觸摸顯示屏及按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運行。利用高低水位控制器來控制注水閥，使其自動把水注滿儲水水池，只要水位低于設(shè)定值，則自動往水箱內(nèi)注水。水池的高/低水位信號也接送給PLC，作為低水位報警用。通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠傳壓傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為4～20mA的標準信號送入PLC，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使系統(tǒng)的供水管網(wǎng)壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器增加工作泵的數(shù)目。根據(jù)用戶用水量的大小來控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化。這樣就構(gòu)成了以壓力設(shè)定值為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 PLC與上位機的通信連接及程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用上、下位機控制結(jié)構(gòu)形式，工控機作為上位機，西門子S7-200PLC作為下位機。應(yīng)用MCGS進行系統(tǒng)組態(tài)后，上位機一方面負責對水壓系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，并把各傳感器測得的信號實時采集到工控機中，進行顯示。另一方面通過上位機可對下位機的設(shè)定壓力值進行調(diào)整。系統(tǒng)中下位機的任務(wù)首先是控制水壓系統(tǒng)提供試驗所需管壓，其次下位機可接受上位機來的設(shè)定值，及時調(diào)整管路壓力。

上位機軟件采用MCGS進行開發(fā)。MCGS是全中文界面的組態(tài)軟件，采用了多線程、COM組件等新技術(shù)，充分利用了圖形編輯功能，能方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序、靈活的組態(tài)方式和數(shù)據(jù)鏈接功能，用其構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)能大大縮短開發(fā)時間，并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量。設(shè)計中，MCGS把每一臺下位機看作是一個外部設(shè)備， MCGS通過驅(qū)動程序和這些外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)指令。每一個驅(qū)動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和MCGS構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，既保證了運行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)能夠達到很大的規(guī)模。其與下位機通信原理如圖2所示。

2.1 MCGS與PLC建立通訊

MCGS支持多種硬件設(shè)備，包括可編程控制器（PLC）、智能模塊、板卡、智能儀表和變頻器等等。對于不同的硬件設(shè)施，工程人員只需為其配置相應(yīng)的通信驅(qū)動程序即可。這種方式即保證了運行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)能夠達到很大的規(guī)模。本系統(tǒng)采用串口通訊的方式與西門子S7-200PLC建立聯(lián)系。首先在上位機中安裝西門子S7-200PLC的通訊協(xié)議，在通用串口設(shè)備中選擇串口COM1，并進行有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，如地址、波特率、奇偶檢驗、數(shù)據(jù)位、停止位設(shè)定等，注意此設(shè)定值必需與PLC內(nèi)部設(shè)定值一致，這樣即可在上位機和PLC之間建立了通訊，由此可見MCGS與硬件設(shè)備建立通訊聯(lián)系十分方便。

2.2 變量定義

當建立了上位機和PLC之間通訊聯(lián)系后，為實現(xiàn)上位機對水壓系統(tǒng)的監(jiān)控功能，需要設(shè)置變量并進行變量到PLC的連接。在MCGS中定義I/O變量，與預(yù)先在PLC的內(nèi)部輔助繼電器區(qū)定義中間變量相關(guān)聯(lián)，此中間變量與PLC的輸入通道繼電器位共同控制PLC的輸出通道繼電器位，通過對變量的各個位進行置“1”，置“0”操作，即可直接控制PLC繼電器通道中的每個位的閉合，進而控制水壓系統(tǒng)中的各水泵的動作。MCGS通過串行口與PLC進行通信時，訪問PLC相關(guān)的寄存器地址，以獲得PLC所控制設(shè)備的狀態(tài)或修改相關(guān)寄存器的值。

2.3 畫面組態(tài)

在進行完數(shù)據(jù)變量設(shè)置后，便可進行畫面組態(tài)，實現(xiàn)最終的上位機監(jiān)控功能。根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控的實際要求，設(shè)計的軟件實現(xiàn)了下述功能：測試過程動畫顯示，可以直觀看出測試過程中水位的變化和水流的走向；為了形象的表示參數(shù)實時值，使用曲線圖和棒圖來顯示參數(shù)的變化；實時顯示故障報警畫面、查詢歷史報警，并可以設(shè)置報警的極限值；可以進行實時曲線監(jiān)測和歷史曲線查詢等。此外，針對不同的操作人員，設(shè)置不同的系統(tǒng)操作權(quán)限及密碼，并給予系統(tǒng)操作幫助等等。用MCGS開發(fā)的恒壓供水系統(tǒng)界面如圖3所示。

3 結(jié)語

工控機運用MCGS與PLC進行通訊，具有實時性好、速度快、可靠性高、運行穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點。系統(tǒng)人機界面友好而直觀，而且具有一定的靈活性，易于擴充。經(jīng)試驗運行表明，該水壓系統(tǒng)的壓力控制精度為0.01MPa，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間不大于2min，壓力平穩(wěn)，操作簡單，滿足了恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用需要。

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