西門子S7-200PLC在給排水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

改造者：于海波

西門子S7-200PLC在給排水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

改造者：于海波

城市給排水系統(tǒng)中水泵電機(jī)的控制和穩(wěn)定運(yùn)行，是確保城市給排水安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障性基礎(chǔ)。本文就西門子可編程控制器在市政給排水系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析與探討，并提出了相關(guān)的技術(shù)優(yōu)化。

水泵作為給排水工業(yè)中常用的設(shè)備，應(yīng)用十分廣泛，尤其是多臺(tái)水泵組成的水泵組十分常見。水泵組或其他設(shè)備組的自動(dòng)化循環(huán)控制非常普遍，但在實(shí)際應(yīng)用中，有很多的控制方案都缺乏最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，無形中增加了設(shè)備的損耗，降低了效率。高能耗已成為城市給排水系統(tǒng)一大瓶頸，提高水泵電機(jī)的運(yùn)行可靠性、調(diào)控平衡性能以及電能綜合利用效率，對(duì)低碳綠色環(huán)保新社會(huì)中的節(jié)能降耗有著非常重要的作用。采用PLC和變頻器對(duì)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，可以根據(jù)用戶需求用水量的波動(dòng)情況，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的輸入電源頻率來進(jìn)行運(yùn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1　城市污水泵站工藝流程

現(xiàn)場(chǎng)泵站運(yùn)作工藝流程

城市污水泵站的作用主要用于攔截廢棄物及提升水位運(yùn)送至污水處理廠，其工藝流程見圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)泵站運(yùn)行的主要控制設(shè)備為格柵機(jī)和潛水泵。工作人員在現(xiàn)場(chǎng)泵站主要負(fù)責(zé)采集格柵機(jī)及潛水泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如污水液位、流量，機(jī)器運(yùn)行電流等，并負(fù)責(zé)對(duì)泵站設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制。水泵主控電路根據(jù)工藝要求，選擇一臺(tái)西門子S7-200中CPU226型PLC控制器，通過對(duì)壓力變送器檢測(cè)出的水位位置來控制變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。主站根據(jù)集水池液位計(jì)算出當(dāng)前水池儲(chǔ)水量并根據(jù)各站水泵給水能力實(shí)時(shí)判斷應(yīng)開啟一組或多組從站水泵，為保障水泵壽命，令水泵輪流給水，并根據(jù)管道的延遲，在所需液位到達(dá)前提前停泵，以使液位不致太高。實(shí)時(shí)判斷從站水泵故障與通信故障，如出現(xiàn)故障則聲響報(bào)警且動(dòng)作聯(lián)鎖條件，停止對(duì)從站水泵的開泵條件。

泵站現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)硬件組成

泵站現(xiàn)場(chǎng)控制主要PLC控制器、執(zhí)行器及傳感器組成。PLC控制器發(fā)出指令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行直接操作，如設(shè)備啟停；當(dāng)一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，可以手動(dòng)切換，在設(shè)備出現(xiàn)故障，需要維修時(shí)或是遇到緊急情況時(shí)使用。執(zhí)行器主要由閥門、變頻器等構(gòu)成，主要可以用來控制液位及水泵的開停等。傳感器包括壓力傳感器、泵機(jī)電流檢測(cè)器等組成，它們通過傳感器或測(cè)量裝置等完成對(duì)工藝、電氣數(shù)據(jù)的采集以及設(shè)備控制。

PLC系統(tǒng)硬件選擇

可編程控制器（PLC）以其結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用靈活、功能完善、操作方便、速度快、可靠性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，并且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，已成為與DCS并駕齊驅(qū)的主流工業(yè)控制系統(tǒng)。PLC以其顯著的優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于工業(yè)控制中，在實(shí)際應(yīng)用中涉及的問題很多。在PLC選型時(shí)應(yīng)遵循以下注意事項(xiàng)：

在可編程邏輯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是可編程邏輯控制器工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定可編程邏輯控制器的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的可編程邏輯控制器和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)選擇西門子S7-200CUP226型號(hào)PLC并連接EM223和EM235模塊。CPU226共有數(shù)字量輸入24，數(shù)字量輸出16。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，共有2個(gè)RS-485接口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。EM223選擇型號(hào)為型號(hào)：6ES7 223-1PH22-0XA0。共有數(shù)字量輸8個(gè)和數(shù)字量輸出8個(gè)。輸入電壓額定值：24V DC。功耗：3W。重量：200g。EM235共有模擬量輸入4個(gè)和模擬量輸出1個(gè)。輸入類型：差分輸入，功耗：2W。重量186g。

圖2　變頻器結(jié)構(gòu)圖

變頻器介紹

變頻器電路一般由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制電路四個(gè)部分組成（如圖2所示）。

考慮到系統(tǒng)的硬件兼容性和各個(gè)獨(dú)立硬件的性能指標(biāo)，本項(xiàng)目選擇了德國(guó)西門子公司的通用型變頻器MM420，能夠充分的滿足控制要求。

MICROMASTER420是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列。本系列有多種型號(hào)，從單相電源電壓，額定功率120W到三相電源電壓，額定功率11KW可供用戶選用。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。

在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，水泵電機(jī)控制系統(tǒng)在從電網(wǎng)系統(tǒng)中獲得頻率為50Hz的交流電源后，就會(huì)通過PLC控制器發(fā)出對(duì)應(yīng)命令，經(jīng)變頻器內(nèi)部整流電路、濾波電流等相關(guān)電路轉(zhuǎn)換成直流電源后，再經(jīng)變頻器控制單元的直流逆變電路轉(zhuǎn)換成頻率f和電壓U均滿足電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控需要的交流電源，直接供給電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中提供動(dòng)力，經(jīng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換輸出所需的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變頻調(diào)節(jié)控制。對(duì)于水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)而言，根據(jù)整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)用戶需水量的動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化，通過PLC控制器和變頻器組成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的相關(guān)功能單元的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，來優(yōu)化水泵電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)行的工況曲線，達(dá)到節(jié)能降耗動(dòng)態(tài)調(diào)控的目的。

液位檢測(cè)設(shè)計(jì)

當(dāng)水泵啟動(dòng)后，壓力變送器檢測(cè)出4～20 mA 水位電流信號(hào)輸送到S7-200PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并判斷確定水位處于先前建立的7 檔水位中的哪一檔位。這里程序設(shè)計(jì)采用了對(duì)輸入模擬信號(hào)采集50個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算來判斷水位準(zhǔn)確的停留位置。水泵啟動(dòng)后，自動(dòng)跳入某個(gè)水位時(shí)，程序設(shè)計(jì)采用了順序功能圖編程法（SFC）與梯形圖法相結(jié)合的組態(tài)方式，對(duì)水位位置的選擇確定設(shè)計(jì)了7個(gè)S21～S27 狀態(tài)元件，根據(jù)不同水位的電流信號(hào)來判定變頻器應(yīng)變速到哪個(gè)頻率上，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出水流量的目的。

結(jié)束語

城市給排水泵站采用PLC系統(tǒng)管理，西門子S7 -200小型PLC具有開發(fā)周期短，性能可靠，工作穩(wěn)定，易于操作維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用PLC大大節(jié)約了人力物力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、安全性較高，更重要的是切實(shí)解決了城市排水困難的問題。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.030