基于PLC和組態(tài)王智能供水控制系統(tǒng)研究

蘭鴿，劉文平

（新疆工程學院，新疆烏魯木齊，830000）

0 引言

目前，大部分的水泵控制采用傳統(tǒng)的按鈕式啟動，水泵在滿負荷運轉(zhuǎn)。導致電動機本身功效下降，會影響管道末端壓力不足，導致缺水現(xiàn)象。究其原因有電動機和機械容量不匹配及長期輕載效率低下。

本文講述采用變頻調(diào)速技術改善加壓泵的起動性能及運行特性，來提高系統(tǒng)工作效率。并將新型除氟技術、新型凈水技術與膜技術應用于過濾系統(tǒng)中，改善飲用水質(zhì)量。

1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

基于S7-1500PLC智能農(nóng)村供水過濾系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，以1500PLC作為下位機，以工控機為上位機，通過GRM530遠程模塊與PLC無線通訊。實現(xiàn)對水廠現(xiàn)場的監(jiān)控，并通過康耐德虛擬串口服務器連接到組態(tài)王進行流量測試及采用兩芯屏蔽線連接到以太網(wǎng)上對供水單元，過濾單元，加壓輸送單元控制，從而實現(xiàn)對水廠現(xiàn)場的“分散控制，集中管理”。

■1.1 控制級

控制級采用最新西門子1500PLC為控制機構(gòu)。相比上一代產(chǎn)品其性能更加強大,系統(tǒng)響應時間更短。功能具有多樣性、穩(wěn)定性、高效率和高性能四大決定性優(yōu)勢[1-2]。作為下位機將實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制。通過4-20mA檢測各測點數(shù)據(jù)，CPU經(jīng)模擬量輸入輸出擴展模塊AIAO轉(zhuǎn)換后被送給上位機，然后處理，其數(shù)字量輸出經(jīng)模塊后，控制4～20mA調(diào)節(jié)進水閥、過濾閥等實現(xiàn)反滲透工作，經(jīng)過組態(tài)王進行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測、動態(tài)畫面、歷史數(shù)據(jù)庫的生成等。設計的主要內(nèi)容有:

(1)按照其系統(tǒng)原理特點做出總體設計方案。

(2)對PLC及其模擬量擴展模塊進行選型并TIA博途V16軟件中配置S7-1500控制器軟件上進行編程調(diào)試。

(3)對上位機組態(tài)王監(jiān)控界面進行設計，并對實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)進行記錄比較。

(4)給定不同的PID參數(shù)進行微分，積分，增益調(diào)試選擇出合適的PID參數(shù)。

■1.2 PID設置流程

PLC中PID參數(shù)設置，將根據(jù)向?qū)л斎肷蒔ID（比例、積分、微分）回路指令（每個回路一個）。然后可將這些指令置于程序中來監(jiān)控PID回路?？刂戚斎?yún)?shù)中增益設置為1、采樣時間為1S,積分時間為10s，微分時間為0。根據(jù)所控對象來恒溫、恒壓自動運行。本設計的智能農(nóng)村供水過濾系統(tǒng)PID設置流程如圖1所示。

圖1 設置流程圖

■1.3 博途V16編程流程

本設計采用TIA博途V16軟件中配置S7-1500控制器軟件，將根據(jù)供水過濾系統(tǒng)的控制要求來實現(xiàn)自動遠程控制模式，編程如圖2所示。

圖2 編程圖

2 系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)

軟件設計主要由上位機軟件組態(tài)王與西門子TIA博途V16軟件為核心?，F(xiàn)場變頻器采用富凌交流變頻調(diào)速器DZB500系列，用于調(diào)節(jié)輸送系統(tǒng)加壓泵的頻率，并保證在2.0MPa下穩(wěn)定運行，保持良好的動態(tài)特性。

（1）PLC數(shù)據(jù)點分配與功能

在用戶將控制要求以及工作模確定好以后，系統(tǒng)的開發(fā)人員將根據(jù)控制要求來列寫I/O分配表、繪制施工圖、組態(tài)模型圖、目的是為了在現(xiàn)場接線以及系統(tǒng)開發(fā)人員編寫梯形圖程序提供方便。也是為后期設備調(diào)試、售后服務提供一定的基礎。其系統(tǒng)控制I/O分配表如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制I/O分配表

（2）系統(tǒng)程序功能的實現(xiàn)

本設計中，為了穩(wěn)定供水水壓，采用恒壓控制與恒頻控制兩種工作模式。當選擇恒壓模式時控制系統(tǒng)將根據(jù)壓力大小來控制供水設備的運行，一般我們將壓力設定1.5-2.0MPa之間來確保用戶的水壓能夠穩(wěn)定。當選擇恒頻控制模式下時控制系統(tǒng)將頻率一般穩(wěn)定在35-45Hz之間，在供水系統(tǒng)不能滿足用戶需求時，我們將根據(jù)需求的大小來啟動第二臺供水設備，這種工作模式通常我們又稱為一主二備或者一主多備。具體的操作時，首先給系統(tǒng)處于上電模式，然后再選擇控制方式，無論是手動模式還是自動模式以上兩種工作模式都可以應用，因此在上位機中綠色代表設備處于運行狀態(tài)相反紅色代表停止，設計的梯形圖程序模擬量采集程序如圖3所示。

圖3

■2.1 硬件組態(tài)設置PLC上電后的啟動方式

系統(tǒng)組態(tài)完成上電后CPU將有以下3種啟動方式：

（1）保持當前狀態(tài)不重新啟動:停留在STOP模式；

（2）暖啟動:進入RUN模式；

（3）暖啟動：進入斷開電源之前的操作模式。

當系統(tǒng)組態(tài)完成以后選擇好供電方式，目的是為了解決在發(fā)生停電或檢修狀態(tài)以后在能夠的重新恢復運行狀態(tài)，而不是讓PLC處于死機狀態(tài)。

■2.2 硬件組態(tài)各模塊電源

因為系統(tǒng)主要采用PLC來控制所以在組態(tài)各模塊過成中一定要根據(jù)控制量來選擇輸入輸出模塊，根據(jù)模塊的耗電量來確定控制系統(tǒng)開關的選擇。其系統(tǒng)各模塊組態(tài)情況如表2所示。

表2

■2.3 硬件組態(tài)模擬量輸入輸出點的參數(shù)設置

由于本系統(tǒng)的模擬量模量輸入輸出點數(shù)較多，因此在選擇好控制器，建立好地址以后為了系統(tǒng)不受外界的干擾所以對過濾器的對應的輸入輸出進行了勾選，目的是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而減少誤差，能夠是系統(tǒng)準確的，穩(wěn)定的運行。

表3

模擬量在采集輸入輸出反饋積分時間越長，準確性越高，快速性越差，因此系統(tǒng)干擾抑制頻率越低，所以為了抑制工頻強電的干擾，積分時間設置一般選擇20ms。

■2.4 組態(tài)軟件任務

在農(nóng)村自動化應用中，系統(tǒng)開發(fā)到投入運行，組態(tài)軟件將對供水過濾系統(tǒng)實時集中監(jiān)視、分布式控制特征，每個控制單元都具備獨立特征，互不影響，任一位置發(fā)生故障，其余部位仍處于正常運行狀態(tài)的可靠性。具體操作工藝流程前，看整個水廠的平面圖，并結(jié)合平面圖給我們大致講解了一下水源井到進化后輸送給用戶要經(jīng)過的幾道程序：（1）查看供水過濾系統(tǒng)現(xiàn)場的工藝流程的組態(tài)數(shù)據(jù)；（2）自動打印各種實時/歷史生產(chǎn)報表；（3）自由瀏覽各個實時/歷史趨勢畫面；（4）系統(tǒng)發(fā)生故障時快速得到反映并發(fā)出報警信號；（5）故障時，操作人員可手動控制，修改生產(chǎn)過程中反滲透的參數(shù)和狀態(tài)；（6）對供水過濾系統(tǒng)出水，用水實時數(shù)據(jù)傳送當?shù)厮块T。

■2.5 組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理流程

本設計為了讓農(nóng)村自動化水平上一個新的臺階，采用最新系列的西門子PLC以及上位組態(tài)軟件，從而是讓水廠工作人員能夠簡單操作，讓水利局等監(jiān)管部門能夠及時了解到農(nóng)村供水情況及設備運行狀態(tài)，其數(shù)據(jù)流程處理示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流程處理示意圖

■2.6 系統(tǒng)控制界面

本設計相對于偏遠地區(qū)生活供水系統(tǒng)無法實時監(jiān)控、遠程控制等狀況，同時為了對水資源進行充分利用，改善農(nóng)村安全、可靠、穩(wěn)定用健康的飲用水。因此設計一套基于PLC和組態(tài)王智能供水控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對水源地遠程監(jiān)控操作系統(tǒng)[3]。上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王6.60軟件將實現(xiàn)與1500PLC通過光纖遠程通信，對供水過濾系統(tǒng)的壓力、流量、運行狀態(tài)進行實時采集在上位機中顯示日報表、月報表、年報表、歷史曲線、實時曲線、故障查詢等來實現(xiàn)智能遠程操控系統(tǒng)，提高農(nóng)村自動化水平。系統(tǒng)控制界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制界面

3 結(jié)論

結(jié)合組態(tài)王和PLC對農(nóng)村供水處理系統(tǒng)進行設計，從而提高農(nóng)村飲水控制系統(tǒng)的效率，改善飲水環(huán)境。因此推動了供水新技術、新工藝、新產(chǎn)品的發(fā)展，給供水工程帶來直接的、間接的社會經(jīng)濟效益，惠及民生。