基于PLC和組態王智能供水控制系統研究

蘭鴿，劉文平

（新疆工程學院，新疆烏魯木齊，830000）

0 引言

目前，大部分的水泵控制采用傳統的按鈕式啟動，水泵在滿負荷運轉。導致電動機本身功效下降，會影響管道末端壓力不足，導致缺水現象。究其原因有電動機和機械容量不匹配及長期輕載效率低下。

本文講述采用變頻調速技術改善加壓泵的起動性能及運行特性，來提高系統工作效率。并將新型除氟技術、新型凈水技術與膜技術應用于過濾系統中，改善飲用水質量。

1 系統的組成結構

基于S7-1500PLC智能農村供水過濾系統采用分布式控制結構，以1500PLC作為下位機，以工控機為上位機，通過GRM530遠程模塊與PLC無線通訊。實現對水廠現場的監控，并通過康耐德虛擬串口服務器連接到組態王進行流量測試及采用兩芯屏蔽線連接到以太網上對供水單元，過濾單元，加壓輸送單元控制，從而實現對水廠現場的“分散控制，集中管理”。

■1.1 控制級

控制級采用最新西門子1500PLC為控制機構。相比上一代產品其性能更加強大,系統響應時間更短。功能具有多樣性、穩定性、高效率和高性能四大決定性優勢[1-2]。作為下位機將實現對現場設備的控制。通過4-20mA檢測各測點數據，CPU經模擬量輸入輸出擴展模塊AIAO轉換后被送給上位機，然后處理，其數字量輸出經模塊后，控制4～20mA調節進水閥、過濾閥等實現反滲透工作，經過組態王進行實時的數據監測、動態畫面、歷史數據庫的生成等。設計的主要內容有:

(1)按照其系統原理特點做出總體設計方案。

(2)對PLC及其模擬量擴展模塊進行選型并TIA博途V16軟件中配置S7-1500控制器軟件上進行編程調試。

(3)對上位機組態王監控界面進行設計，并對實時數據以及歷史數據進行記錄比較。

(4)給定不同的PID參數進行微分，積分，增益調試選擇出合適的PID參數。

■1.2 PID設置流程

PLC中PID參數設置，將根據向導輸入生成PID（比例、積分、微分）回路指令（每個回路一個）。然后可將這些指令置于程序中來監控PID回路。控制輸入參數中增益設置為1、采樣時間為1S,積分時間為10s，微分時間為0。根據所控對象來恒溫、恒壓自動運行。本設計的智能農村供水過濾系統PID設置流程如圖1所示。

圖1 設置流程圖

■1.3 博途V16編程流程

本設計采用TIA博途V16軟件中配置S7-1500控制器軟件，將根據供水過濾系統的控制要求來實現自動遠程控制模式，編程如圖2所示。

圖2 編程圖

2 系統的軟件設計與實現

軟件設計主要由上位機軟件組態王與西門子TIA博途V16軟件為核心。現場變頻器采用富凌交流變頻調速器DZB500系列，用于調節輸送系統加壓泵的頻率，并保證在2.0MPa下穩定運行，保持良好的動態特性。

（1）PLC數據點分配與功能

在用戶將控制要求以及工作模確定好以后，系統的開發人員將根據控制要求來列寫I/O分配表、繪制施工圖、組態模型圖、目的是為了在現場接線以及系統開發人員編寫梯形圖程序提供方便。也是為后期設備調試、售后服務提供一定的基礎。其系統控制I/O分配表如表1所示。

表1 系統控制I/O分配表

（2）系統程序功能的實現

本設計中，為了穩定供水水壓，采用恒壓控制與恒頻控制兩種工作模式。當選擇恒壓模式時控制系統將根據壓力大小來控制供水設備的運行，一般我們將壓力設定1.5-2.0MPa之間來確保用戶的水壓能夠穩定。當選擇恒頻控制模式下時控制系統將頻率一般穩定在35-45Hz之間，在供水系統不能滿足用戶需求時，我們將根據需求的大小來啟動第二臺供水設備，這種工作模式通常我們又稱為一主二備或者一主多備。具體的操作時，首先給系統處于上電模式，然后再選擇控制方式，無論是手動模式還是自動模式以上兩種工作模式都可以應用，因此在上位機中綠色代表設備處于運行狀態相反紅色代表停止，設計的梯形圖程序模擬量采集程序如圖3所示。

圖3

■2.1 硬件組態設置PLC上電后的啟動方式

系統組態完成上電后CPU將有以下3種啟動方式：

（1）保持當前狀態不重新啟動:停留在STOP模式；

（2）暖啟動:進入RUN模式；

（3）暖啟動：進入斷開電源之前的操作模式。

當系統組態完成以后選擇好供電方式，目的是為了解決在發生停電或檢修狀態以后在能夠的重新恢復運行狀態，而不是讓PLC處于死機狀態。

■2.2 硬件組態各模塊電源

因為系統主要采用PLC來控制所以在組態各模塊過成中一定要根據控制量來選擇輸入輸出模塊，根據模塊的耗電量來確定控制系統開關的選擇。其系統各模塊組態情況如表2所示。

表2

■2.3 硬件組態模擬量輸入輸出點的參數設置

由于本系統的模擬量模量輸入輸出點數較多，因此在選擇好控制器，建立好地址以后為了系統不受外界的干擾所以對過濾器的對應的輸入輸出進行了勾選，目的是為了提高系統的抗干擾能力，從而減少誤差，能夠是系統準確的，穩定的運行。

表3

模擬量在采集輸入輸出反饋積分時間越長，準確性越高，快速性越差，因此系統干擾抑制頻率越低，所以為了抑制工頻強電的干擾，積分時間設置一般選擇20ms。

■2.4 組態軟件任務

在農村自動化應用中，系統開發到投入運行，組態軟件將對供水過濾系統實時集中監視、分布式控制特征，每個控制單元都具備獨立特征，互不影響，任一位置發生故障，其余部位仍處于正常運行狀態的可靠性。具體操作工藝流程前，看整個水廠的平面圖，并結合平面圖給我們大致講解了一下水源井到進化后輸送給用戶要經過的幾道程序：（1）查看供水過濾系統現場的工藝流程的組態數據；（2）自動打印各種實時/歷史生產報表；（3）自由瀏覽各個實時/歷史趨勢畫面；（4）系統發生故障時快速得到反映并發出報警信號；（5）故障時，操作人員可手動控制，修改生產過程中反滲透的參數和狀態；（6）對供水過濾系統出水，用水實時數據傳送當地水利部門。

■2.5 組態軟件的數據處理流程

本設計為了讓農村自動化水平上一個新的臺階，采用最新系列的西門子PLC以及上位組態軟件，從而是讓水廠工作人員能夠簡單操作，讓水利局等監管部門能夠及時了解到農村供水情況及設備運行狀態，其數據流程處理示意圖如圖4所示。

圖4 數據流程處理示意圖

■2.6 系統控制界面

本設計相對于偏遠地區生活供水系統無法實時監控、遠程控制等狀況，同時為了對水資源進行充分利用，改善農村安全、可靠、穩定用健康的飲用水。因此設計一套基于PLC和組態王智能供水控制系統來實現對水源地遠程監控操作系統[3]。上位機監控系統采用組態王6.60軟件將實現與1500PLC通過光纖遠程通信，對供水過濾系統的壓力、流量、運行狀態進行實時采集在上位機中顯示日報表、月報表、年報表、歷史曲線、實時曲線、故障查詢等來實現智能遠程操控系統，提高農村自動化水平。系統控制界面如圖5所示。

圖5 系統控制界面

3 結論

結合組態王和PLC對農村供水處理系統進行設計，從而提高農村飲水控制系統的效率，改善飲水環境。因此推動了供水新技術、新工藝、新產品的發展，給供水工程帶來直接的、間接的社會經濟效益，惠及民生。