基于Slmatlc S7-200Smart網(wǎng)絡(luò)通信液位定值反饋控制系統(tǒng)

王攀藻

（四川旅游學(xué)院四川成都610100）

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基于Slmatlc S7-200Smart網(wǎng)絡(luò)通信液位定值反饋控制系統(tǒng)

王攀藻

（四川旅游學(xué)院四川成都610100）

摘要：酒店供水水箱液位控制是靠干簧管機(jī)械控制水泵完成，液位控制誤差大，不節(jié)能。提出對水箱液位定值進(jìn)行反饋控制方案，該方案使用SIMATIC S7-200SMART控制器內(nèi)設(shè)PID模塊，內(nèi)部為西門子串口網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，首先對通信口設(shè)置合適參數(shù)，其次裝載

通信地址，轉(zhuǎn)載伙伴通信區(qū)和數(shù)據(jù)長度，最后讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對多個(gè)控制器監(jiān)控，從而控制多個(gè)氣壓水箱液位值。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)無靜差控制，水箱水位在階躍干擾信號(hào)下，保持設(shè)定值不變，誤差合理，滿足指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和提高水箱壽命。

關(guān)鍵詞：液位定值；S7-200SMART控制；網(wǎng)絡(luò)通信；變頻控制

我國大力發(fā)展旅游業(yè)，星級酒店星羅棋布于景區(qū)和城市，旅游旺季游客增多，每天要消耗大量水源，不同樓層分別由各自的水箱供水，長期水箱中的水位控制直接由干簧管水位控制器機(jī)械控制水泵工作，達(dá)不到理想的控制精度［1］，而且機(jī)械零部件容易損壞，耗時(shí)、耗能導(dǎo)致水箱壽命縮短。針對這種情況，提出智能液位定值反饋控制系統(tǒng)方案，用SIMATIC S7-200SMART通過網(wǎng)絡(luò)通信控制系統(tǒng)將多水箱液位穩(wěn)定在給定值［2］，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，達(dá)到水位控制精度高，節(jié)能環(huán)保和水箱使用壽命長的目的。

1　SIMATIC S7-200SMART網(wǎng)絡(luò)通信

S7-200SMART CPU模塊是S7-200的升級版，本體集成一個(gè)以太網(wǎng)接口和一個(gè)RS485接口，通過擴(kuò)展CM01信號(hào)板，其通信端口數(shù)量最多可增至3個(gè)，可滿足小型自動(dòng)化設(shè)備與觸摸屏，變頻器及其它第三方設(shè)備進(jìn)行通信。

1）串口通信，S7-200SMAT CPU模塊均集成一個(gè)RS485接口，可以與變頻器，觸摸屏等第三方設(shè)備通信。可通過CM01信號(hào)板擴(kuò)展串口，信號(hào)支持RS485，串口支持協(xié)議：Modbus RTU，PPI，USS，自由口通信，

2）與上位機(jī)通信，通過PC ACESS，操作人員實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)讀取S7-200SMART的數(shù)據(jù)，對設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)存檔

3）以太網(wǎng)通信，所有CPU模塊配備以太網(wǎng)接口，支持西門子S7協(xié)議、有效支持多種端連接：可作為程序下載端口；與SMART LINE觸摸屏進(jìn)行通信；通過交換機(jī)與多臺(tái)以太網(wǎng)設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交互［3-6］，包含8個(gè)主動(dòng)GET/PUT連接，8個(gè)被動(dòng)GET/PUT連接。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包含計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，傳感技術(shù)、通信技術(shù)和電力拖動(dòng)技術(shù)。系統(tǒng)中配備液位變送器對傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行變送，輸出電流信號(hào)給控制器。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定傳輸與測量，將4～20 mA的液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為1～5 V的直流電壓信號(hào)并加入電容濾波，最大限度排除干擾。

本系統(tǒng)設(shè)置上位機(jī)監(jiān)控，利用MCGS組態(tài)軟件將控制器上傳數(shù)據(jù)收集顯示并繪成曲線，通過對過程參數(shù)變化曲線的對比，能更直觀有效的分析液位值變化情況。

3　硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分由上位計(jì)算機(jī)、S7-200SMART控制器、液位水箱、電源控制箱、壓力傳感器、執(zhí)行器、水路動(dòng)力系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1控制器

S7-200SMART CPU是S7-200的升級版，使用經(jīng)濟(jì)型模塊CR40，將一個(gè)微處理器、一個(gè)集成電源和數(shù)字量I/O點(diǎn)集成在一個(gè)緊湊的封裝中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的微型CPU，50 kB存儲(chǔ)器具有高速脈沖輸出、高速計(jì)數(shù)（4路10KHZ）和信號(hào)板擴(kuò)充的功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，支持MjcroSD卡，I/ O模塊（6個(gè)）擴(kuò)展，配備超級電容，掉電保證時(shí)鐘正常工作。支持用戶程序元素（主程序1個(gè)，子程序128個(gè)，中斷程序128個(gè)，嵌套深度：8個(gè)子程序級別）；通信端口數(shù)：1個(gè)以太網(wǎng)口/一個(gè)串口（RS485）/一個(gè)附加串口；編程設(shè)備（PG）：以太網(wǎng)一個(gè)。

3.2氣壓水箱

3個(gè)氣壓水箱外殼堅(jiān)實(shí)耐用，內(nèi)部充滿一定壓強(qiáng)的空氣。水箱靠水泵充滿水后，依靠內(nèi)部氣壓為各個(gè)樓層供水。由緩沖槽、工作槽、出水槽和溢流管組成，進(jìn)水時(shí)水管中的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)出水槽流出，這樣經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定。水箱底部連接有擴(kuò)散硅壓力變送器，可對水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測和變送。

3.3電源控制箱

電源控制箱包含的主要器件有：漏電保護(hù)斷路器、交流電壓表、二位旋鈕開關(guān)、各種傳感器、變送器和控制信號(hào)接口。

3.4檢測裝置

傳感器為擴(kuò)散硅壓阻材料，用于測量由水箱液位高度而產(chǎn)生的壓力，為直流24 V供電、4～20 mA變送輸出、標(biāo)準(zhǔn)兩線制接線、精度0.5級。

3.5執(zhí)行器

FR-S520SE-0.4K-CHR型變頻器，控制信號(hào)輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220 V變頻輸出用來驅(qū)動(dòng)三相磁力驅(qū)動(dòng)泵。變頻器通過與THPFSM-2型控制屏配套使用，對液位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。S7-200SMART采集處理液位信號(hào)，通過與輸入的給定信號(hào)比較，給出控制信號(hào)輸出，控制變頻器頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制變頻泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)液位。

3.6水路動(dòng)力系統(tǒng)

使用磁力驅(qū)動(dòng)水泵型號(hào)為16CQ-8P，，三相變頻220 V輸出驅(qū)動(dòng)，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180 W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，壽命長。

4　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化，用STEP7 V4.0編寫，分為主程序模塊、子程序模塊和中斷程序模塊。報(bào)警處理和邏輯運(yùn)算放在主程序中，液位顯示和系統(tǒng)初始化放在子程序中。PID控制的定時(shí)采用和輸出控制由定時(shí)中斷模塊功能實(shí)現(xiàn)。每個(gè)模塊采用線性化編程，CPU周期性地掃描OB1，使用戶程序在OB1內(nèi)順序執(zhí)行每條指令，由于全部指令都放在一個(gè)指令塊中，程序結(jié)構(gòu)直觀。軟件程序流程圖，如圖2所示。

圖2　軟件系統(tǒng)流程圖

5　通信部分設(shè)計(jì)

5.1通信口設(shè)置

SIMATIC S7-200SMART通信中的SMB30和SMB130為自由端口控制寄存器。其中SMB30控制自由端口0的通信方式，SMB130控制自由端口1的通信方式。對SMB30、SMB130進(jìn)行讀、寫操作，如下表1所示，這些字節(jié)設(shè)置自由端口通訊的操作方式，并提供自由端口或者系統(tǒng)所支持的協(xié)議之間的選擇。

如上程序所示，此段程序是將控制器的自由端口0的通信方式設(shè)置為“PPI/主站模式”，

表1　端口讀寫操作指令

5.2網(wǎng)絡(luò)讀寫指令

指令NETR/NETW，用于在西門子S7-200SMART PPI網(wǎng)絡(luò)中的各CPU之間的少量數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)讀寫指令只能由在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)PPI主站的CPU執(zhí)行，從站CPU不必專門編譯通信程序，只須將和主站通信的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)即可，此種通信方式中的主站CPU可以對PPI網(wǎng)絡(luò)中其他任何CPU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)讀寫操作。

5.3通信程序流程圖

上位機(jī)和S7-200SMART CPU等組成的通信流程圖，如圖3所示。

圖3　通信程序流程圖

6　系統(tǒng)實(shí)證和性能分析

基于星級酒店供水系統(tǒng)，兩個(gè)S7-200SMART控制3個(gè)氣壓水箱，每個(gè)水箱分別給星級酒店不同樓層供水。當(dāng)打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，進(jìn)入西門子網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)行環(huán)境。被控量為各水箱的液位高度，調(diào)試過程上中下水箱的液位穩(wěn)定在給定值，將壓力傳感器檢測到的水箱液位信號(hào)反饋給控制器，兩個(gè)控制器計(jì)算后輸出信號(hào)，控制變頻器的頻率，以達(dá)到控制上、中、下水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)輸出為PID控制。變頻器參數(shù)設(shè)置為：P1=50；P79=0；P160=0；P161=1；P182=4（電流）/3（電壓）。運(yùn)行時(shí)，給水箱水位輸入階躍設(shè)定值10 cm，同時(shí)對3個(gè)水箱輸入階躍擾動(dòng)，最后測量值穩(wěn)定在10.25 cm，誤差為1.5%，符合指標(biāo)要求。輸出值OP為100%，比例系數(shù)KP=8，積分時(shí)間Ki=25 s。變頻器的頻率穩(wěn)定在工頻。液位數(shù)據(jù)瀏覽，如圖4所示。液位歷史曲線圖，如圖5所示。

7　結(jié)論

本文研究了適用于星級酒店供水部分的水箱液位定值反饋控制系統(tǒng)，提出基于西門子SIMATIC S7-200SMART控制器，以及內(nèi)部PPI網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)方案，上位機(jī)組態(tài)軟件與控制器通信，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)水箱水位定值反饋控制，控制器軟件系統(tǒng)模塊化編程，加入PID子程序，使過程控制結(jié)果更加精確。實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果分析得出，水箱液位參數(shù)符合指標(biāo)要求。本系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，控制結(jié)果水箱液位精度高，能夠滿足星級酒店企業(yè)節(jié)能、環(huán)保的要求。

圖4　水箱液位數(shù)據(jù)

圖5　液位歷史曲線圖

參考文獻(xiàn)：

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Slmatlc S7-200Smart based on network communlcatlon level feedback control system

WANG Pan-zao
（Sichuan Tourism University，Chengdu 610100，China）

Abstract:The hote1 js on the water tank 1eve1 contro1 reed mechanjca1 contro1 pump，1jqujd 1eve1 contro1 error，and jt js easy to damage. The water 1eve1 constant feedback contro1 scheme，the scheme uses SIMATIC S7-200SMART contro11er jn the PID modu1e，jnterna1 Sjemens serja1 communjcatjon network structure，fjrst set the approprjate parameters of the communjcatjon port，the second 1oadjng address，and accordjng to the number of communjcatjon partners reproduced area 1ength，fjna11y read data，rea1jze PC to mu1tjp1e monjtors thus，contro1 of a p1ura1jty of pressure water 1eve1 va1ue. The experjmenta1 resu1ts show that the system，gjven the system step and step djsturbances jn order to rea1jze，statjc contro1，water 1eve1 step djsturbance sjgna1 jn the order，keep the settjngs unchanged，the error js reasonab1e，to meet the requjrements of energy savjng，envjronmenta1 protectjon，and jmprove the 1jfe of the water tank.

Key words:1eve1；S7-200SMART contro1；network communjcatjons；varjab1e frequency contro1

中圖分類號(hào)：TN91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0040-03

收稿日期：2015-06-02稿件編號(hào)：201506037

作者簡介：王攀藻（1976—），男，四川成都人，碩士，副教授。研究方向：信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制。