基于S7-200PLC與HMI的變頻恒壓供水實訓平臺的設計與實現

新疆生產建設兵團興新職業技術學院 劉麗芳 邵志剛

供水系統一直以來都是國民生產和生活中重要的基礎設施。在以往的供水系統中，水泵在工頻下運行，因為用水量的不穩定，所以會造成供水管道壓力變化較大，從而會造成設備的損害，水源的浪費。由此可見，人們對供水系統的穩定性、控制性等方面有了更高的標準。不僅要保證供水質量，還要對供水系統進行實時監控，以保證系統的安全可靠[2]。

鑒于此，本文以PLC、變頻器為主要控制器，并與HMI組態控制相結合的形式，設計、調試和安裝了一套恒壓供水系統，該系統不僅能夠可以在人機界面上設定壓力、PID控制器等參數，還可以將項目引領法引入教學環節，解決教學手段單一、學生學習與實際脫軌、以及學生動手操作少的問題。經過該實訓項目的學習，可以完成以下知識與技能目標：進一步加深理解相關理論知識，掌握基本相關編程指令的使用方法；獨立完成一個電氣控制系統的設計、安裝與調試，提高學生的理論水平和實際動手能力。

1 恒壓供水系統結構

本文所設計和安裝的系統以PLC為核心，以自動控制原理為理論基礎完成系統的總體設計。系統運行時，當壓力傳感器檢測標準電流信號并傳送到PLC中，PLC將此電流信號與其內部預先設定好的初值進行比較，PLC根據給定的壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，把信號傳送給變頻器的模擬量調節控制端。變頻器根據送來的電流值的大小，產生一個與之對應的控制水泵速度的頻率值，使水泵的供電頻率發生改變，從而改變水泵的轉速，使向水管供水的壓力大小發生變化，使水管中的實際水壓值恢復到預先設定好的值上。系統結構如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統結構圖

該系統由PLC、變頻器、觸摸屏、壓力傳感器、水泵機組等組成，由觸摸屏作為上位機，PLC作為下位機。

2 恒壓供水系統硬件設計

在系統硬件方面，采用變頻器控制水泵機組運行設計，通過程序設計實現系統恒壓供水，該系統的啟動和停止操作不僅可以通過現場的按鈕開關控制，也可通過觸摸屏來進行遠程操控。系統原理圖如圖2所示。

圖2 系統原理圖

（1）PLC的選擇

PLC選用西門子S7-200CN(CPU224XP)PLC，在實際系統的設計和應用中，根據系統設計需要，在觸摸屏進行供水壓力設定和PID控制參數的調節，實現系統供水壓力恒定。

（2）觸摸屏的選擇

觸摸屏的選擇在恒壓供水系統中的設計是很重要的，系統中所有的控制指令都將通過觸摸屏來完成。本設計采用西門子IE SMART700觸摸屏完成人機交互數據傳輸，通過對觸摸屏界面上的指示燈以及數據的觀察，可以實現時時的對控制設備和控制對象監視和監控的目的[3]。

（3）變頻器的選擇

變頻器在恒壓供水系統中是不可或缺的系統硬件，在實際應用中只有變頻器選擇能夠滿足系統基本功能的應用，才能很好并有效的實現變頻恒壓供水的目的。本設計采用三菱FR—D720S-0.4K變頻器，通過對變頻器對水泵的控制，執行相應的動作，實現系統的恒壓供水。

3 恒壓供水系統軟件設計

（1）PLC程序設計

本設計采用西門子S7-200CPU24XP型PLC完成系統整體程序設計，程序主要由主程序和子程序兩部分組成。主程序主要用來調用兩個子程序；子程序1的作用主要是進行模擬量信號的采集（本設計主要針對壓力傳感器信號的采集）；子程序2的作用主要是對整個系統進行控制同時完成對系統PID的調節。

PLC主程序如圖3所示：

圖3 系統主程序

PLC子程序1和子程序2的程序如圖4和圖5所示：

圖4 系統子程序1

圖5 系統子程序2

（2）觸摸屏監控軟件的設計

本系統觸摸屏組態結構主要由歡迎界面、設備使用說明界面和系統控制界面三部分組成。

歡迎界面如圖6所示。用戶通過登錄后進入“歡迎界面”，在這個界面上主要是說明該系統的名稱、設計調試人員以及單位名稱，按下界面上的“Welcome”按鈕可以進入到“系統簡介”界面，如圖7所示。該界面主要是對該系統所能實現的功能做介紹，目的是讓使用者對系統所具有的的功能有初步的認識和了解，按下此界面上的“設備控制”按鈕，自動接入到“設備控制”界面，如圖8所示。

圖6 歡迎界面

圖7 系統簡介界面

“設備控制”界面不僅可以完成系統自動和手動兩種工作模式的切換，以及水泵的啟動和停止的控制和顯示，而且可以進行系統參數給定設置，包括PID參數設置、系統壓力給定設置和手動頻率給定設置。除此之外，還可以時時采集和顯示現場系統壓力值的變化情況，便于工作人員觀察。

圖8 設備控制界面

4 變頻器參數設定

變頻器參數設定在系統調試過程中具有十分重要的作用。本系統選用三菱FR—D720S-0.4K變頻器來改變水泵電動機的頻率實現水壓調節。變頻器參數設置如表1所示。

表1 變頻器參數

三相電源的輸入端A,B,C分別接L1,L2,13，輸出端U,V,W連接電動機的A,B,C端，變頻器的2號端子和PLC的V端子相連，變頻器的5號端子和PLC的M端子相連。

本文所設計的恒壓供水系統是通過PLC和觸摸屏進行控制，由于PLC自身所具有的優越穩定性，所以控制精度高的提高上占很大優勢。系統中觸摸屏的運用，則能夠使工作人員離開現場實現遠程監控，保證在不受外界環境干擾的因素影響下，對恒壓供水系統進行控制，最終使恒壓供水系統穩定性、控制性能更好，適應性變得更廣。

本課題在研發過程中，學生不僅掌握組態軟件的編程技術，提高學生對PLC技術、變頻技術的理解與掌握。通過本課題的設計、安裝與調試，提升了學生的理論水平與實操能力，在培養與訓練學生的實際動手能力，以及進一步提高學生研發能力具有十分重要的作用。