基于S7-200PLC恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉金茂 李文 唐雅媛 夏余平 高鵬

關(guān)鍵詞：恒壓供水;反饋控制系統(tǒng);PLC;MCGS

0引言

恒壓供水系統(tǒng)可以采用恒速泵加壓、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速、變頻等技術(shù)進(jìn)行控制，但是傳統(tǒng)的控制方法效率低、智能程度低，而PLC變頻技術(shù)集成了現(xiàn)代控制技術(shù)、電氣技術(shù)以及變頻技術(shù)為一體。采用該技術(shù)可以大大提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)又能達(dá)到節(jié)能的目的。

本文針對恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合過程反饋控制原理，設(shè)計(jì)了基于MCGS設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控程序和PLC為核心的電氣控制體系。實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的智能控制，節(jié)省了大批的人力成本。

1恒壓供水系統(tǒng)工藝流程

圖1所示為該系統(tǒng)的工藝流程過程，從流程圖可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)硬件主要有：控制面板（操作臺(tái)），1臺(tái)PLC，1組接觸器，1臺(tái)變頻器，3臺(tái)水泵，1組壓力傳感器以及些許輔助部件。為了維修和調(diào)節(jié)水量方便通常在水泵出口處均會(huì)裝設(shè)一個(gè)手動(dòng)閥門，其中系統(tǒng)中的3臺(tái)水泵通常是進(jìn)行不同功率的工作從而達(dá)到恒壓的作用，管路中的壓力傳感器（一般采用電阻傳感器或者壓力變送器）將系統(tǒng)中的壓力值傳輸至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過變頻器的輸出將不同信號(hào)傳輸至水泵，從而達(dá)到水泵的無極調(diào)速或穩(wěn)定調(diào)壓的效果。

該恒壓供水系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、信號(hào)反饋系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)組成。其中執(zhí)行系統(tǒng)由水泵和管網(wǎng)組成;信號(hào)反饋系統(tǒng)由水壓信號(hào)檢測和報(bào)警信號(hào)檢測組成;控制系統(tǒng)則由供水控制系統(tǒng)、電控部分和變頻器等組成;人機(jī)交互系統(tǒng)使用的是MCGS人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn);報(bào)警裝置由各種故障預(yù)警系統(tǒng)組成，如：水壓預(yù)警、電流預(yù)警等。

2系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)的接線圖如圖2所示，當(dāng)空氣開關(guān)合上時(shí)，供水系統(tǒng)的電源接通并投入使用，此時(shí)需要人為選擇需要系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或者手動(dòng)運(yùn)行，并將相應(yīng)開關(guān)置于對應(yīng)位置，例如將系統(tǒng)置于自動(dòng)運(yùn)行情況，此時(shí)PLC程序會(huì)自動(dòng)將QF1開關(guān)接通，并將信號(hào)輸出至變頻器，啟動(dòng)相應(yīng)的水泵。啟動(dòng)后，信號(hào)反饋系統(tǒng)將系統(tǒng)的壓力實(shí)際值與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的信號(hào)輸出至變頻器控制水泵的流量，從而實(shí)現(xiàn)壓力的恒壓控制。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到上限值后，系統(tǒng)無法維持恒定壓力后，PLC將根據(jù)系統(tǒng)壓力適時(shí)的啟動(dòng)第2臺(tái)泵，此時(shí)第一臺(tái)泵將處于工頻運(yùn)行，同時(shí)PLC此時(shí)將對反饋系統(tǒng)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷并通過PID運(yùn)算進(jìn)一步控制變頻的運(yùn)行頻率，促使系統(tǒng)中的壓力保持在壓力設(shè)定的上下極限范圍內(nèi)，達(dá)到供水系統(tǒng)的恒壓供水。在這個(gè)系統(tǒng)的工作過程中有兩個(gè)過程，增泵工作過程和減泵工作過程。

增泵工作過程：本文的增泵順序假設(shè)為1號(hào)泵、2號(hào)泵、3號(hào)泵，最開始系統(tǒng)工作是假設(shè)首先工作的是1號(hào)泵，該泵在PLC控制下由變頻器輸出上限頻率啟動(dòng)1號(hào)泵，當(dāng)系統(tǒng)中的實(shí)際壓力值低于系統(tǒng)設(shè)定壓力值時(shí)，經(jīng)過PLC的PID運(yùn)行后指令變頻器升高輸出頻率，水泵將提高流量輸出增高系統(tǒng)壓力，反之則降低流量降低壓力。但變頻器的頻率輸出已達(dá)上限后系統(tǒng)壓力仍然未達(dá)預(yù)期，此時(shí)則要求系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)增泵的過程，此時(shí)PLC邏輯控制下會(huì)將變頻器與1號(hào)泵間的連接斷開，并將1號(hào)泵工作情況切至工頻狀態(tài)，將2號(hào)泵與變頻器相連，促使2號(hào)泵進(jìn)入調(diào)頻狀態(tài)，之后的工作狀態(tài)和1號(hào)泵調(diào)頻一樣。當(dāng)然如果2號(hào)泵的投入仍然達(dá)不到要求，則將3號(hào)泵啟動(dòng)，過程參照上述增泵過程。

減泵工作過程：假定減泵順序依次為3號(hào)泵、2號(hào)泵、1號(hào)泵。當(dāng)系統(tǒng)3個(gè)水泵均處于工作狀態(tài)時(shí)，1號(hào)泵和2號(hào)泵工頻運(yùn)行，3號(hào)泵處于變頻輸出，此時(shí)系統(tǒng)壓力大于系統(tǒng)壓力設(shè)定值時(shí)，PLC經(jīng)過PID運(yùn)算，將變頻器頻率降低，當(dāng)頻率降低到變頻器頻率下限值時(shí)，將使3好泵處于停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)如果實(shí)際壓力值仍然高于設(shè)定值，此時(shí)PLC邏輯控制下將使變頻器切斷與3號(hào)泵的連接轉(zhuǎn)而控制2號(hào)泵，以此類推直至系統(tǒng)壓力值處于設(shè)定壓力值，此過程即為減泵過程。

3硬件配置及控制程序

3.1PID程序設(shè)計(jì)

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了PID的反饋控制系統(tǒng)，即利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用，再結(jié)合P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，其控制原理如圖3所示。

此次使用軟件型控制形式，PID算法在可編程控制器PLC上實(shí)現(xiàn)。

3.2程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)PLC主要控制的是水泵的工頻及變頻的轉(zhuǎn)換以及變頻器頻率輸出的具體數(shù)字。其程序流程圖如圖4所示。

在系統(tǒng)開機(jī)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測當(dāng)前狀態(tài)是手動(dòng)模式或者自動(dòng)模式（手動(dòng)模式和自動(dòng)模式主要是有操作人員手動(dòng)進(jìn)行切換），如果處于手動(dòng)模式則PLC將執(zhí)行預(yù)先輸入的手動(dòng)模式程序，如果是自動(dòng)模式則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)執(zhí)行程序。通常是執(zhí)行自動(dòng)程序，手動(dòng)模式一般只在系統(tǒng)出錯(cuò)或檢修時(shí)啟動(dòng)。

在自動(dòng)運(yùn)行程序中主要作用是當(dāng)PID運(yùn)算后將信號(hào)傳輸至變頻器，變頻器根據(jù)情況輸出具體頻率，當(dāng)頻率達(dá)到上限值時(shí)，執(zhí)行增泵程序，當(dāng)頻率達(dá)到下限值時(shí)，執(zhí)行減泵程序。若沒有接受到其他信號(hào)則保持不變繼續(xù)運(yùn)行。

程序中使用的元器件及其功能如圖5所示。

本文對程序設(shè)計(jì)只列取自動(dòng)部分的程序進(jìn)行說明，如圖6所示。

3.3人機(jī)交互設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是基于MCGS設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一種人機(jī)交互模式。人機(jī)交互模式首先應(yīng)該建立工程界面，此次的工程界面建立的是變頻恒壓供水系統(tǒng);接著定義數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是為了和數(shù);據(jù)中心進(jìn)行交換從而獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)編輯畫面，選中系統(tǒng)窗口圖標(biāo)并點(diǎn)中“動(dòng)畫組態(tài)”，進(jìn)入動(dòng)畫組態(tài)窗口，開始編輯畫面;動(dòng)畫設(shè)置，是將動(dòng)畫與數(shù)據(jù)庫變量建立聯(lián)系，當(dāng)數(shù)據(jù)庫變量發(fā)生改變時(shí)動(dòng)畫就可以表現(xiàn)出來。即當(dāng)系統(tǒng)中的壓力發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)畫可以適時(shí)顯示;曲線顯示，對實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制，從而能更好判斷其具體走向趨勢有利于后期控制;設(shè)備連接，通過將動(dòng)畫界面中的對象連接到具體的設(shè)備通訊口中，既可以得到具體的數(shù)據(jù)參數(shù)也可以通過動(dòng)畫直觀顯示出來。具體設(shè)計(jì)后的效果圖如圖7所示。

以上是本系統(tǒng)的硬件、PID、程序設(shè)計(jì)及MCGS人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)情況，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)的變頻智能控制。

4結(jié)束語

本文采用西門子PLC為現(xiàn)場控制器，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水系統(tǒng)的變頻智能控制，運(yùn)行結(jié)果表明，通過PLC進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際情況將系統(tǒng)所需壓力值輸入本系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的PLC將根據(jù)實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算調(diào)整水泵的流量及水泵的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，使供給水泵始終在高效率下運(yùn)行，在啟動(dòng)時(shí)壓力波動(dòng)小，在可控制在給定值范圍內(nèi)波動(dòng)。本文同時(shí)采用的基于MCGS設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模擬組態(tài)畫面能保證操作人員對恒壓供水系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。