基于MCGS和PLC的恒壓供水控制系統

李義

摘 要：基于MCGS開發平臺，利用可編程控制器PLC和變頻調速技術相結合，開發出一套恒壓供水控制系統。該系統用PLC控制變頻子系統，實現水壓恒定控制，用MCGS組態軟件設計了遠程監控程序。MCGS的應用使得開發更加容易，提高了系統的控制品質。上位機通過串行口與PLC通信，實現在上位機中實時設定壓力，觀測壓力實際值和水壓系統的各種狀態。整個系統實際運行效果穩定，操作方便，能滿足恒壓供水控制的應用需要，同時可實現供水系統的遠程和本地的手自動切換控制。

關鍵詞：可編程控制器；MCGS；恒壓供水；遠程監控

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.041

供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環，尤其對于現代電子制造產業而言，穩定的水源供應更是生產環節中的重要組成部分。基于傳統方式的供水控制系統中，水泵的控制多為電力拖動方式，水泵工作在工頻下，水量的調節由閥門的開度調節來實現，這樣容易早成“水錘效應”和能源的巨大浪費。在實際生產過程中，由于用水點數量的不確定，經常導致管網水壓不穩定，從而使得用水點的出水壓力在用水高峰和低谷的壓力過低或過高，對生產及其設備造成了很大的影響，嚴重情況下甚至會造成設備的損壞。采用恒壓供水方式供水，可以很好的解決傳統供水方式的諸多弊端，由于變頻調速技術的發展，PLC技術的廣泛應用，工業控制技術的成熟及完善，可以很方便的組成恒壓供水系統，這樣不僅可以擴大水泵的高效運行，提高效率，節約能源，提高供水服務質量，還可為安全高效生產提供一定的保障。本文主要介紹了基于MCGS平臺，采用西門子S7-200PLC結合MM440型變頻器進行控制的恒壓供水控制系統。

1 恒壓供水控制系統的功能及實現

1.1 基本工作原理

本系統以PLC為控制核心，通過觸摸屏或者上位機自由設定所需壓力，當壓力設定好后，根據變頻恒壓原理，利用安裝在出水管網上的壓力變送器，對管網水壓進行數據采樣，并將壓力信號轉換為電信號送入PLC，與設定壓力進行比較和運算，并將結果轉換為頻率調節信號，送給變頻器，變頻器據此調節水泵電機的電源頻率，進而調整水泵的轉速，使供水管網中的壓力保持在設定壓力上，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。

1.2 系統組成及功能

本系統由水泵、PLC、變頻器、壓力傳感器、水泵斷路器、接觸器、中間繼電器等組成。用戶可通過指示操作面板上的指示燈、觸摸顯示屏及按鈕、轉換開關來了解和控制系統的運行。利用高低水位控制器來控制注水閥，使其自動把水注滿儲水水池，只要水位低于設定值，則自動往水箱內注水。水池的高/低水位信號也接送給PLC，作為低水位報警用。通過安裝在出水管網上的遠傳壓傳感器將壓力信號轉化為4～20mA的標準信號送入PLC，經PID運算與給定壓力參數進行比較，得出調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵轉速，調節系統供水量，使系統的供水管網壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器增加工作泵的數目。根據用戶用水量的大小來控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化。這樣就構成了以壓力設定值為基準的閉環控制系統，系統組成如圖1所示。

2 PLC與上位機的通信連接及程序設計

本系統采用上、下位機控制結構形式，工控機作為上位機，西門子S7-200PLC作為下位機。應用MCGS進行系統組態后，上位機一方面負責對水壓系統進行實時監控，并把各傳感器測得的信號實時采集到工控機中，進行顯示。另一方面通過上位機可對下位機的設定壓力值進行調整。系統中下位機的任務首先是控制水壓系統提供試驗所需管壓，其次下位機可接受上位機來的設定值，及時調整管路壓力。

上位機軟件采用MCGS進行開發。MCGS是全中文界面的組態軟件，采用了多線程、COM組件等新技術，充分利用了圖形編輯功能，能方便地構成監控畫面，具有豐富的設備驅動程序、靈活的組態方式和數據鏈接功能，用其構造監控系統能大大縮短開發時間，并能保證系統的質量。設計中，MCGS把每一臺下位機看作是一個外部設備， MCGS通過驅動程序和這些外部設備交換數據，包括采集數據和發送數據指令。每一個驅動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和MCGS構成一個完整的系統，既保證了運行系統的高效率，也使系統能夠達到很大的規模。其與下位機通信原理如圖2所示。

2.1 MCGS與PLC建立通訊

MCGS支持多種硬件設備，包括可編程控制器（PLC）、智能模塊、板卡、智能儀表和變頻器等等。對于不同的硬件設施，工程人員只需為其配置相應的通信驅動程序即可。這種方式即保證了運行系統的高效率，也使系統能夠達到很大的規模。本系統采用串口通訊的方式與西門子S7-200PLC建立聯系。首先在上位機中安裝西門子S7-200PLC的通訊協議，在通用串口設備中選擇串口COM1，并進行有關參數的設置，如地址、波特率、奇偶檢驗、數據位、停止位設定等，注意此設定值必需與PLC內部設定值一致，這樣即可在上位機和PLC之間建立了通訊，由此可見MCGS與硬件設備建立通訊聯系十分方便。

2.2 變量定義

當建立了上位機和PLC之間通訊聯系后，為實現上位機對水壓系統的監控功能，需要設置變量并進行變量到PLC的連接。在MCGS中定義I/O變量，與預先在PLC的內部輔助繼電器區定義中間變量相關聯，此中間變量與PLC的輸入通道繼電器位共同控制PLC的輸出通道繼電器位，通過對變量的各個位進行置“1”，置“0”操作，即可直接控制PLC繼電器通道中的每個位的閉合，進而控制水壓系統中的各水泵的動作。MCGS通過串行口與PLC進行通信時，訪問PLC相關的寄存器地址，以獲得PLC所控制設備的狀態或修改相關寄存器的值。

2.3 畫面組態

在進行完數據變量設置后，便可進行畫面組態，實現最終的上位機監控功能。根據系統監控的實際要求，設計的軟件實現了下述功能：測試過程動畫顯示，可以直觀看出測試過程中水位的變化和水流的走向；為了形象的表示參數實時值，使用曲線圖和棒圖來顯示參數的變化；實時顯示故障報警畫面、查詢歷史報警，并可以設置報警的極限值；可以進行實時曲線監測和歷史曲線查詢等。此外，針對不同的操作人員，設置不同的系統操作權限及密碼，并給予系統操作幫助等等。用MCGS開發的恒壓供水系統界面如圖3所示。

3 結語

工控機運用MCGS與PLC進行通訊，具有實時性好、速度快、可靠性高、運行穩定、調節靈活等優點。系統人機界面友好而直觀，而且具有一定的靈活性，易于擴充。經試驗運行表明，該水壓系統的壓力控制精度為0.01MPa，調節穩定時間不大于2min，壓力平穩，操作簡單，滿足了恒壓供水控制系統的應用需要。

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