基于PLC和组态王智能供水控制系统研究

2021-06-16兰鸽刘文平

电子制作 2021年4期

关键词：模拟量组态上位

兰鸽，刘文平

（新疆工程学院，新疆乌鲁木齐，830000）

0 引言

目前，大部分的水泵控制采用传统的按钮式启动，水泵在满负荷运转。导致电动机本身功效下降，会影响管道末端压力不足，导致缺水现象。究其原因有电动机和机械容量不匹配及长期轻载效率低下。

本文讲述采用变频调速技术改善加压泵的起动性能及运行特性，来提高系统工作效率。并将新型除氟技术、新型净水技术与膜技术应用于过滤系统中，改善饮用水质量。

1 系统的组成结构

基于S7-1500PLC智能农村供水过滤系统采用分布式控制结构，以1500PLC作为下位机，以工控机为上位机，通过GRM530远程模块与PLC无线通讯。实现对水厂现场的监控，并通过康耐德虚拟串口服务器连接到组态王进行流量测试及采用两芯屏蔽线连接到以太网上对供水单元，过滤单元，加压输送单元控制，从而实现对水厂现场的“分散控制，集中管理”。

■1.1 控制级

控制级采用最新西门子1500PLC为控制机构。相比上一代产品其性能更加强大,系统响应时间更短。功能具有多样性、稳定性、高效率和高性能四大决定性优势[1-2]。作为下位机将实现对现场设备的控制。通过4-20mA检测各测点数据，CPU经模拟量输入输出扩展模块AIAO转换后被送给上位机，然后处理，其数字量输出经模块后，控制4～20mA调节进水阀、过滤阀等实现反渗透工作，经过组态王进行实时的数据监测、动态画面、历史数据库的生成等。设计的主要内容有:

(1)按照其系统原理特点做出总体设计方案。

(2)对PLC及其模拟量扩展模块进行选型并TIA博途V16软件中配置S7-1500控制器软件上进行编程调试。

(3)对上位机组态王监控界面进行设计，并对实时数据以及历史数据进行记录比较。

(4)给定不同的PID参数进行微分，积分，增益调试选择出合适的PID参数。

■1.2 PID设置流程

PLC中PID参数设置，将根据向导输入生成PID（比例、积分、微分）回路指令（每个回路一个）。然后可将这些指令置于程序中来监控PID回路。控制输入参数中增益设置为1、采样时间为1S,积分时间为10s，微分时间为0。根据所控对象来恒温、恒压自动运行。本设计的智能农村供水过滤系统PID设置流程如图1所示。

图1 设置流程图

■1.3 博途V16编程流程

本设计采用TIA博途V16软件中配置S7-1500控制器软件，将根据供水过滤系统的控制要求来实现自动远程控制模式，编程如图2所示。

图2 编程图

2 系统的软件设计与实现

软件设计主要由上位机软件组态王与西门子TIA博途V16软件为核心。现场变频器采用富凌交流变频调速器DZB500系列，用于调节输送系统加压泵的频率，并保证在2.0MPa下稳定运行，保持良好的动态特性。

（1）PLC数据点分配与功能

在用户将控制要求以及工作模确定好以后，系统的开发人员将根据控制要求来列写I/O分配表、绘制施工图、组态模型图、目的是为了在现场接线以及系统开发人员编写梯形图程序提供方便。也是为后期设备调试、售后服务提供一定的基础。其系统控制I/O分配表如表1所示。

表1 系统控制I/O分配表

（2）系统程序功能的实现

本设计中，为了稳定供水水压，采用恒压控制与恒频控制两种工作模式。当选择恒压模式时控制系统将根据压力大小来控制供水设备的运行，一般我们将压力设定1.5-2.0MPa之间来确保用户的水压能够稳定。当选择恒频控制模式下时控制系统将频率一般稳定在35-45Hz之间，在供水系统不能满足用户需求时，我们将根据需求的大小来启动第二台供水设备，这种工作模式通常我们又称为一主二备或者一主多备。具体的操作时，首先给系统处于上电模式，然后再选择控制方式，无论是手动模式还是自动模式以上两种工作模式都可以应用，因此在上位机中绿色代表设备处于运行状态相反红色代表停止，设计的梯形图程序模拟量采集程序如图3所示。

图3

■2.1 硬件组态设置PLC上电后的启动方式

系统组态完成上电后CPU将有以下3种启动方式：

（1）保持当前状态不重新启动:停留在STOP模式；

（2）暖启动:进入RUN模式；

（3）暖启动：进入断开电源之前的操作模式。

当系统组态完成以后选择好供电方式，目的是为了解决在发生停电或检修状态以后在能够的重新恢复运行状态，而不是让PLC处于死机状态。

■2.2 硬件组态各模块电源

因为系统主要采用PLC来控制所以在组态各模块过成中一定要根据控制量来选择输入输出模块，根据模块的耗电量来确定控制系统开关的选择。其系统各模块组态情况如表2所示。

表2

■2.3 硬件组态模拟量输入输出点的参数设置

由于本系统的模拟量模量输入输出点数较多，因此在选择好控制器，建立好地址以后为了系统不受外界的干扰所以对过滤器的对应的输入输出进行了勾选，目的是为了提高系统的抗干扰能力，从而减少误差，能够是系统准确的，稳定的运行。

表3

模拟量在采集输入输出反馈积分时间越长，准确性越高，快速性越差，因此系统干扰抑制频率越低，所以为了抑制工频强电的干扰，积分时间设置一般选择20ms。

■2.4 组态软件任务

在农村自动化应用中，系统开发到投入运行，组态软件将对供水过滤系统实时集中监视、分布式控制特征，每个控制单元都具备独立特征，互不影响，任一位置发生故障，其余部位仍处于正常运行状态的可靠性。具体操作工艺流程前，看整个水厂的平面图，并结合平面图给我们大致讲解了一下水源井到进化后输送给用户要经过的几道程序：（1）查看供水过滤系统现场的工艺流程的组态数据；（2）自动打印各种实时/历史生产报表；（3）自由浏览各个实时/历史趋势画面；（4）系统发生故障时快速得到反映并发出报警信号；（5）故障时，操作人员可手动控制，修改生产过程中反渗透的参数和状态；（6）对供水过滤系统出水，用水实时数据传送当地水利部门。

■2.5 组态软件的数据处理流程

本设计为了让农村自动化水平上一个新的台阶，采用最新系列的西门子PLC以及上位组态软件，从而是让水厂工作人员能够简单操作，让水利局等监管部门能够及时了解到农村供水情况及设备运行状态，其数据流程处理示意图如图4所示。

图4 数据流程处理示意图

■2.6 系统控制界面

本设计相对于偏远地区生活供水系统无法实时监控、远程控制等状况，同时为了对水资源进行充分利用，改善农村安全、可靠、稳定用健康的饮用水。因此设计一套基于PLC和组态王智能供水控制系统来实现对水源地远程监控操作系统[3]。上位机监控系统采用组态王6.60软件将实现与1500PLC通过光纤远程通信，对供水过滤系统的压力、流量、运行状态进行实时采集在上位机中显示日报表、月报表、年报表、历史曲线、实时曲线、故障查询等来实现智能远程操控系统，提高农村自动化水平。系统控制界面如图5所示。