基于西門子S7-300的小區(qū)高層供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文｜ 烏魯木齊水業(yè)集團(tuán)有限公司 張凱旋

一、概述

本系統(tǒng)針對小區(qū)高層樓宇供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)高樓的供水系統(tǒng)自動(dòng)控制與漏水檢測。在早期，變頻器的使用主要在頻率控制、升降控制、電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制等方面，在恒壓供水系統(tǒng)中僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)而使用。為了滿足高層用戶的用水需求，在不同的用水量狀態(tài)下保證供水管網(wǎng)壓力恒定，供水時(shí)需與壓力傳感器共同組成閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行壓力控制。這種方式需要一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)水泵，雖然成本較高但是易于與其他軟件進(jìn)行組態(tài)，所以在某些高層供水系統(tǒng)中仍然在使用?，F(xiàn)在，許多變頻器廠家已經(jīng)設(shè)計(jì)出帶有恒壓供水功能的變頻器，只要使用配套的恒壓供水模塊便可直接控制多個(gè)內(nèi)置接觸器工作，可以最多拖動(dòng)7臺(tái)電機(jī)，降低了成本。但是，其輸出接口不夠靈活，與其他的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件兼容性差，難以實(shí)現(xiàn)有效通訊，故在實(shí)際使用時(shí)受限較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在城市用水的40%是由于漏水而導(dǎo)致的，所以本系統(tǒng)的漏水監(jiān)測有重要意義。在本系統(tǒng)中，下位機(jī)采用西門子S7-300系列的PLC進(jìn)行對系統(tǒng)的控制，上位機(jī)采用組態(tài)王軟件來實(shí)現(xiàn)畫面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在本系統(tǒng)中，所有測控?cái)?shù)據(jù)均傳輸至值班室，并可以通過值班室的以太網(wǎng)使用WEB發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。測控室配備兩臺(tái)工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備份。同時(shí)，可以將測控?cái)?shù)據(jù)推送到用戶手機(jī)APP，便于用戶監(jiān)控自己家中的水管狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在所有用戶端之前有一個(gè)壓力傳感器和流量計(jì)，所有用戶端之后也有一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)流量計(jì)，還有兩個(gè)由變頻器控制的水泵，均含有手動(dòng)自動(dòng)的選擇功能。系統(tǒng)控制要求通過對兩個(gè)水泵的起停和功率大小調(diào)節(jié)來維持用戶后和用戶前的兩個(gè)壓力表之間的壓力差恒定，從而保證用戶端的水壓充足且不會(huì)壓力過大導(dǎo)致管道破裂。每個(gè)用戶之前也有一個(gè)壓力傳感器和流量計(jì)，還有一個(gè)可以控制開度的電磁閥。通過每個(gè)用戶端的壓力傳感器和流量計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)用戶端的狀態(tài)，如果出現(xiàn)漏水可以及時(shí)向值班室報(bào)警（包括漏水用戶對應(yīng)的蜂鳴器和監(jiān)控畫面報(bào)警），并將警情通過GPRS以短信的方式或手機(jī)APP推送至用戶手機(jī)（使用GPRS發(fā)送短信是為了防止用戶手機(jī)不聯(lián)網(wǎng)或?qū)PP后臺(tái)清理），從而做出及時(shí)處理。系統(tǒng)的點(diǎn)表統(tǒng)計(jì)如表1所示（因篇幅所限有所簡略）。

二、整體設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。每棟樓設(shè)計(jì)一個(gè)PLC站，通過4～20mA信號(hào)采集模擬量，高低電平控制開關(guān)量。同時(shí)通過工業(yè)以太網(wǎng)配合光纜將采集的數(shù)據(jù)傳送到小區(qū)內(nèi)的監(jiān)控值班室，值班室內(nèi)配備兩臺(tái)工控機(jī)作為服務(wù)器，形成雙機(jī)熱備份。系統(tǒng)可以通過值班室的寬帶網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云端，用戶可以通過手機(jī)APP來查看自己家里的水管流量和壓力。如果有漏水，則值班室內(nèi)漏水用戶對應(yīng)的蜂鳴器會(huì)響，提醒值班人員注意；同時(shí)會(huì)將警情上傳至云端，通過GPRS以發(fā)送短信的方式告知用戶（防止用戶手機(jī)不聯(lián)網(wǎng)或?qū)PP后臺(tái)清理從而不能及時(shí)收到報(bào)警信息），同樣用戶也可以直接在手機(jī)APP中查看警情。

三、軟件/硬件選擇

本系統(tǒng)軟件系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)采用北京亞控科技有限公司的組態(tài)王6.55版編寫，下位機(jī)軟件采用西門子STEP7軟件進(jìn)行編程。

硬件設(shè)備選擇清單如表2所示（僅一棟樓所需）。

表1 系統(tǒng)點(diǎn)表統(tǒng)計(jì)

圖 1 小區(qū)整體方案框架設(shè)計(jì)

四、上位機(jī)簡介

上位機(jī)監(jiān)控畫面采用組態(tài)王軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，組態(tài)界面如圖2所示。在畫面中，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：用戶前和用戶后的壓力差設(shè)定；當(dāng)前壓力差的實(shí)時(shí)顯示；高壓報(bào)警與低壓報(bào)警；用戶端出現(xiàn)漏水時(shí)報(bào)警提示；所有采集的壓力和流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示；電磁閥的啟動(dòng)和停止；每個(gè)用戶端電磁閥開度控制；兩個(gè)水泵的啟動(dòng)和停止；兩個(gè)水泵手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的切換；兩個(gè)水泵手動(dòng)控制狀態(tài)下功率大小設(shè)定；實(shí)時(shí)曲線顯示；歷史曲線顯示和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表顯示和打印；報(bào)警記錄顯示等。與下位機(jī)變量連接如圖3所示（篇幅所限只截取一部分）。同時(shí)，上位機(jī)還設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、歷史報(bào)表、報(bào)警窗口等功能，具體如圖4至圖7所示。其中，在實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、歷史報(bào)表中用戶可以自主選擇需要顯示的變量，隱藏不需要的變量。在監(jiān)控室中配備兩臺(tái)工控機(jī)形成雙機(jī)熱備份，防止意外發(fā)生造成數(shù)據(jù)丟失。

表2 系統(tǒng)硬件設(shè)備清單

圖2 主監(jiān)控畫面

圖3 上位機(jī)與下位機(jī)變量連接

圖4 實(shí)時(shí)曲線窗口

圖5 歷史曲線窗口

圖6 歷史報(bào)表窗口

圖7 報(bào)警記錄窗口

五、下位機(jī)程序介紹

下位機(jī)程序編寫使用STEP7組態(tài)軟件，CPU型號(hào)選用314C-2 PN/DP，因?yàn)樵撔吞?hào)CPU帶以太網(wǎng)接口，與電腦通訊較為方便。且該型號(hào)CPU帶24路DI、16路DO、5路AI、2路AO，若現(xiàn)場對測控點(diǎn)數(shù)有少量增加時(shí)可直接使用這些點(diǎn)，不必對整體設(shè)備選型有較大改動(dòng)。編程語言采用梯形圖與語句表相結(jié)合的方式，使用梯形圖因?yàn)檫壿嬁刂戚^多，用梯形圖編程邏輯清晰；使用語句表因?yàn)檎Z句表有梯形圖不具有的循環(huán)功能，省去了大量錄入地址的機(jī)械工作，使編程更為有效。

PLC程序由以下部分組成：主循環(huán)組織塊OB1、用戶端多路模擬量采集功能塊FC1、主控功能塊FC2、用戶前后的流量和壓力采集功能塊FC3、用戶端限流電磁閥AO輸出功能塊FC4、漏水監(jiān)測功能塊FC5。其中，在OB1中調(diào)用FC1～FC5；在FC1中實(shí)現(xiàn)對用戶端的流量、壓力采集和處理。在FC2中實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)水泵的控制，當(dāng)主水泵的功率足夠時(shí)僅使用主水泵；當(dāng)主水泵的功率不能滿足水壓要求時(shí)開啟副水泵并將主水泵功率保持在70%；當(dāng)主水泵達(dá)到70%同時(shí)副水泵滿功率輸出還不能達(dá)到壓力要求時(shí)，則報(bào)警提示值班人員進(jìn)行手動(dòng)控制，手動(dòng)逐步提升主水泵的輸出功率。FC3中實(shí)現(xiàn)用戶前和用戶后的兩個(gè)壓力和兩個(gè)流量的數(shù)據(jù)采集。FC4實(shí)現(xiàn)對用戶端的電磁閥開度控制，當(dāng)?shù)诙€(gè)水泵以最大功率輸出且沒有值班人員進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，則限制用水量大的用戶的流量以保證其他用戶的用水。電磁閥開度控制方法為：先用限制流量除以實(shí)際流量，將計(jì)算結(jié)果減去1，若此時(shí)結(jié)果大于0則用戶當(dāng)前流量小于限制流量，電磁閥全開；若此時(shí)結(jié)果小于0則用戶當(dāng)前流量大于限制流量，電磁閥的開度為此時(shí)計(jì)算結(jié)果取絕對值后乘27648（27648為模擬量對應(yīng)的數(shù)字量的上限）。FC5實(shí)現(xiàn)對用戶端的漏水監(jiān)測，計(jì)算方法為用戶端之后的流量加上所有用戶端流量（并存儲(chǔ)）減去用戶端之前的流量，結(jié)果若在誤差允許范圍內(nèi)則判定為不漏水；若超過判定誤差則進(jìn)行下一步判斷：將剛才存儲(chǔ)的流量之和減去一樓的用戶流量，與存儲(chǔ)的值作對比，對其值取絕對值后減去允許誤差，若結(jié)果大于0則可判斷為該戶漏水；若結(jié)果小于0則再將剛才存儲(chǔ)的流量和減去二樓的用戶流量，再次與存儲(chǔ)結(jié)果對比，對其值取絕對值后減去允許誤差，若結(jié)果大于0則可判斷為該戶漏水。如此依次取值直至32層用戶取值完畢。在FC2中，程序的主體思路是：當(dāng)電磁閥打開時(shí)，延時(shí)5秒之后啟動(dòng)主水泵進(jìn)行對壓力差的PID控制；當(dāng)主水泵功率達(dá)到70%時(shí)開啟副水泵，此時(shí)主水泵強(qiáng)制輸出70%功率，僅對副水泵進(jìn)行PID控制。當(dāng)主水泵輸出70%功率同時(shí)副水泵輸出100%功率時(shí)，上位機(jī)畫面中會(huì)進(jìn)行低壓報(bào)警并且自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制（使用上位機(jī)腳本實(shí)現(xiàn)），以提醒值班人員注意，避免自動(dòng)調(diào)節(jié)水壓過大使管道破裂。程序具體流程圖如圖8所示。

圖8 PLC程序設(shè)計(jì)流程圖

圖9 Simulink仿真

圖10-1 KI=0，KP=10

圖10-2 KI=0，KP=5

圖10-3 KI=2，KP=5

六、SIMULINK仿真

下位機(jī)中的PID參數(shù)設(shè)定由MATLAB的Simulink進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，仿真流程圖如圖9所示。

調(diào)節(jié)PID參數(shù)時(shí)，先將KI設(shè)置為0，單獨(dú)調(diào)節(jié)KP。將KP設(shè)置為10，KI為0時(shí)的圖像如圖10-1所示。

嘗試將KP設(shè)為5時(shí)，圖像如圖10-2所示。

此時(shí)開始調(diào)節(jié)KI，嘗試設(shè)為2，圖像如圖10-3所示。嘗試減小KP至2，維持KI不變，圖像如圖10-4所示。

圖10-4 KI=2，KP=2

圖10-5 KP=2.6，KI=1.5

圖11 PID控制界面

圖12 在線PID整定初始參數(shù)設(shè)定

逐次逐個(gè)調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)多次之后，得到最佳波形，此時(shí)得到最佳波形，KP=2.6，KI=1.5，如圖10-5所示。

在S7-300系列PLC中，西門子提供了在線可視化調(diào)節(jié)PID參數(shù)的功能，在允許震蕩的系統(tǒng)中使用PID參數(shù)在線整定功能可以方便的修改PID參數(shù)，并將結(jié)果以可視化的方式展現(xiàn)在屏幕上，省去了在SIMULINK中進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的麻煩。同時(shí)，在窗口中如果選擇了自動(dòng)操作，則可以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)整定，使PID的使用更為方便快捷，在實(shí)際工程中有著較為廣泛的應(yīng)用。具體使用界面如圖11、圖12所示。

七、控制柜設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中，控制柜的設(shè)計(jì)在測控系統(tǒng)中非常重要?？刂乒竦脑O(shè)計(jì)在一定程度上影響測控系統(tǒng)的性能好壞。在控制柜中，設(shè)備的布局可能會(huì)影響到信號(hào)傳輸、核心器件的散熱等，不合理的布局會(huì)使系統(tǒng)變的不穩(wěn)定，嚴(yán)重的甚至?xí)鹂刂乒駜?nèi)溫度過高從而發(fā)生火災(zāi)。

在本系統(tǒng)中，由于變頻器功率比較大，可能對系統(tǒng)穩(wěn)定造成干擾，故將PLC與變頻器分開放在不同的控制柜中。PLC控制柜上半部分從左到右依次放置空氣開關(guān)（接入220V電源）、24V開關(guān)電源、PLC機(jī)架，下半部分放置端子排。兩個(gè)變頻器柜設(shè)計(jì)方案如圖13-1、圖13-2所示，柜子頂端安裝一個(gè)散熱風(fēng)扇，上面從左到右依次放置空氣開關(guān)（接入380V三相電源）、變頻器，左側(cè)放置端子排。如此設(shè)計(jì)可以保證變頻器的運(yùn)行不會(huì)對PLC及產(chǎn)生干擾信號(hào)，同時(shí)變頻器可以有良好的散熱效果。控制柜中PLC機(jī)架接線圖如圖14-1、圖14-2所示（篇幅所限相同的模塊接線圖紙只給出一個(gè)，實(shí)際個(gè)數(shù)見設(shè)備清單），變頻器的接線圖如圖15-1、圖15-2所示。兩臺(tái)變頻器的型號(hào)選擇均為西門子M430系列。

圖13-1 1#變頻器柜設(shè)計(jì)

圖13-1 2#變頻器柜設(shè)計(jì)

圖14-2 PLC接線圖1

圖14-2 PLC接線圖2

圖15-1 主水泵變頻器接線圖

圖15-2 副水泵變頻器接線圖

八、總結(jié)

本系統(tǒng)基本可以滿足高樓供水系統(tǒng)的測控需求本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng),根據(jù)用水量的多少由PLC控制投運(yùn)水泵數(shù)目，變頻調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證供水水壓的恒定，從而可以有效地防止管網(wǎng)出現(xiàn)超壓而引起設(shè)備損壞并且避免供水壓力不足的情況；水泵電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)軟啟動(dòng)，避免了頻繁啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流對供電系統(tǒng)、配電設(shè)備的沖擊，延長了電氣設(shè)備、水泵及管網(wǎng)的使用壽命；實(shí)驗(yàn)證明，這種由PLC來實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，不但使水壓恒定，節(jié)電節(jié)水，系統(tǒng)維修工作量??；而且占地面積小，成本低，投資省，操作方便，運(yùn)行可靠，非常適合于高層建筑和生活小區(qū)。