蘭鴿，劉文平

（新疆工程學(xué)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(tǒng)的按鈕式啟動(dòng)，水泵在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)本身功效下降，會(huì)影響管道末端壓力不足，導(dǎo)致缺水現(xiàn)象。究其原因有電動(dòng)機(jī)和機(jī)械容量不匹配及長(zhǎng)期輕載效率低下。

本文講述采用變頻調(diào)速技術(shù)改善加壓泵的起動(dòng)性能及運(yùn)行特性，來(lái)提高系統(tǒng)工作效率。并將新型除氟技術(shù)、新型凈水技術(shù)與膜技術(shù)應(yīng)用于過濾系統(tǒng)中，改善飲用水質(zhì)量。

1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

基于S7-1500PLC智能農(nóng)村供水過濾系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，以1500PLC作為下位機(jī)，以工控機(jī)為上位機(jī)，通過GRM530遠(yuǎn)程模塊與PLC無(wú)線通訊。實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，并通過康耐德虛擬串口服務(wù)器連接到組態(tài)王進(jìn)行流量測(cè)試及采用兩芯屏蔽線連接到以太網(wǎng)上對(duì)供水單元，過濾單元，加壓輸送單元控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠現(xiàn)場(chǎng)的“分散控制，集中管理”。

■1.1 控制級(jí)

控制級(jí)采用最新西門子1500PLC為控制機(jī)構(gòu)。相比上一代產(chǎn)品其性能更加強(qiáng)大,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間更短。功能具有多樣性、穩(wěn)定性、高效率和高性能四大決定性優(yōu)勢(shì)[1-2]。作為下位機(jī)將實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。通過4-20mA檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，CPU經(jīng)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊AIAO轉(zhuǎn)換后被送給上位機(jī)，然后處理，其數(shù)字量輸出經(jīng)模塊后，控制4～20mA調(diào)節(jié)進(jìn)水閥、過濾閥等實(shí)現(xiàn)反滲透工作，經(jīng)過組態(tài)王進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)畫面、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的生成等。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有:

(1)按照其系統(tǒng)原理特點(diǎn)做出總體設(shè)計(jì)方案。

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

(3)對(duì)上位機(jī)組態(tài)王監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄比較。

(4)給定不同的PID參數(shù)進(jìn)行微分，積分，增益調(diào)試選擇出合適的PID參數(shù)。

■1.2 PID設(shè)置流程

PLC中PID參數(shù)設(shè)置，將根據(jù)向?qū)л斎肷蒔ID（比例、積分、微分）回路指令（每個(gè)回路一個(gè)）。然后可將這些指令置于程序中來(lái)監(jiān)控PID回路。控制輸入?yún)?shù)中增益設(shè)置為1、采樣時(shí)間為1S,積分時(shí)間為10s，微分時(shí)間為0。根據(jù)所控對(duì)象來(lái)恒溫、恒壓自動(dòng)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)的智能農(nóng)村供水過濾系統(tǒng)PID設(shè)置流程如圖1所示。

圖1 設(shè)置流程圖

■1.3 博途V16編程流程

本設(shè)計(jì)采用TIA博途V16軟件中配置S7-1500控制器軟件，將根據(jù)供水過濾系統(tǒng)的控制要求來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程控制模式，編程如圖2所示。

圖2 編程圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)軟件組態(tài)王與西門子TIA博途V16軟件為核心?，F(xiàn)場(chǎng)變頻器采用富凌交流變頻調(diào)速器DZB500系列，用于調(diào)節(jié)輸送系統(tǒng)加壓泵的頻率，并保證在2.0MPa下穩(wěn)定運(yùn)行，保持良好的動(dòng)態(tài)特性。

（1）PLC數(shù)據(jù)點(diǎn)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(tǒng)的開發(fā)人員將根據(jù)控制要求來(lái)列寫I/O分配表、繪制施工圖、組態(tài)模型圖、目的是為了在現(xiàn)場(chǎng)接線以及系統(tǒng)開發(fā)人員編寫梯形圖程序提供方便。也是為后期設(shè)備調(diào)試、售后服務(wù)提供一定的基礎(chǔ)。其系統(tǒng)控制I/O分配表如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制I/O分配表

（2）系統(tǒng)程序功能的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中，為了穩(wěn)定供水水壓，采用恒壓控制與恒頻控制兩種工作模式。當(dāng)選擇恒壓模式時(shí)控制系統(tǒng)將根據(jù)壓力大小來(lái)控制供水設(shè)備的運(yùn)行，一般我們將壓力設(shè)定1.5-2.0MPa之間來(lái)確保用戶的水壓能夠穩(wěn)定。當(dāng)選擇恒頻控制模式下時(shí)控制系統(tǒng)將頻率一般穩(wěn)定在35-45Hz之間，在供水系統(tǒng)不能滿足用戶需求時(shí)，我們將根據(jù)需求的大小來(lái)啟動(dòng)第二臺(tái)供水設(shè)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(shí)，首先給系統(tǒng)處于上電模式，然后再選擇控制方式，無(wú)論是手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式以上兩種工作模式都可以應(yīng)用，因此在上位機(jī)中綠色代表設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)相反紅色代表停止，設(shè)計(jì)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(tài)設(shè)置PLC上電后的啟動(dòng)方式

系統(tǒng)組態(tài)完成上電后CPU將有以下3種啟動(dòng)方式：

（1）保持當(dāng)前狀態(tài)不重新啟動(dòng):停留在STOP模式；

（2）暖啟動(dòng):進(jìn)入RUN模式；

（3）暖啟動(dòng)：進(jìn)入斷開電源之前的操作模式。

當(dāng)系統(tǒng)組態(tài)完成以后選擇好供電方式，目的是為了解決在發(fā)生停電或檢修狀態(tài)以后在能夠的重新恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)，而不是讓PLC處于死機(jī)狀態(tài)。

■2.2 硬件組態(tài)各模塊電源

因?yàn)橄到y(tǒng)主要采用PLC來(lái)控制所以在組態(tài)各模塊過成中一定要根據(jù)控制量來(lái)選擇輸入輸出模塊，根據(jù)模塊的耗電量來(lái)確定控制系統(tǒng)開關(guān)的選擇。其系統(tǒng)各模塊組態(tài)情況如表2所示。

表2

■2.3 硬件組態(tài)模擬量輸入輸出點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置

由于本系統(tǒng)的模擬量模量輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，因此在選擇好控制器，建立好地址以后為了系統(tǒng)不受外界的干擾所以對(duì)過濾器的對(duì)應(yīng)的輸入輸出進(jìn)行了勾選，目的是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而減少誤差，能夠是系統(tǒng)準(zhǔn)確的，穩(wěn)定的運(yùn)行。

表3

模擬量在采集輸入輸出反饋積分時(shí)間越長(zhǎng)，準(zhǔn)確性越高，快速性越差，因此系統(tǒng)干擾抑制頻率越低，所以為了抑制工頻強(qiáng)電的干擾，積分時(shí)間設(shè)置一般選擇20ms。

■2.4 組態(tài)軟件任務(wù)

在農(nóng)村自動(dòng)化應(yīng)用中，系統(tǒng)開發(fā)到投入運(yùn)行，組態(tài)軟件將對(duì)供水過濾系統(tǒng)實(shí)時(shí)集中監(jiān)視、分布式控制特征，每個(gè)控制單元都具備獨(dú)立特征，互不影響，任一位置發(fā)生故障，其余部位仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)的可靠性。具體操作工藝流程前，看整個(gè)水廠的平面圖，并結(jié)合平面圖給我們大致講解了一下水源井到進(jìn)化后輸送給用戶要經(jīng)過的幾道程序：（1）查看供水過濾系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的工藝流程的組態(tài)數(shù)據(jù)；（2）自動(dòng)打印各種實(shí)時(shí)/歷史生產(chǎn)報(bào)表；（3）自由瀏覽各個(gè)實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)畫面；（4）系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速得到反映并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；（5）故障時(shí)，操作人員可手動(dòng)控制，修改生產(chǎn)過程中反滲透的參數(shù)和狀態(tài)；（6）對(duì)供水過濾系統(tǒng)出水，用水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送當(dāng)?shù)厮块T。

■2.5 組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理流程

本設(shè)計(jì)為了讓農(nóng)村自動(dòng)化水平上一個(gè)新的臺(tái)階，采用最新系列的西門子PLC以及上位組態(tài)軟件，從而是讓水廠工作人員能夠簡(jiǎn)單操作，讓水利局等監(jiān)管部門能夠及時(shí)了解到農(nóng)村供水情況及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，其數(shù)據(jù)流程處理示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流程處理示意圖

■2.6 系統(tǒng)控制界面

本設(shè)計(jì)相對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)生活供水系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等狀況，同時(shí)為了對(duì)水資源進(jìn)行充分利用，改善農(nóng)村安全、可靠、穩(wěn)定用健康的飲用水。因此設(shè)計(jì)一套基于PLC和組態(tài)王智能供水控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水源地遠(yuǎn)程監(jiān)控操作系統(tǒng)[3]。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王6.60軟件將實(shí)現(xiàn)與1500PLC通過光纖遠(yuǎn)程通信，對(duì)供水過濾系統(tǒng)的壓力、流量、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集在上位機(jī)中顯示日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表、歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、故障查詢等來(lái)實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，提高農(nóng)村自動(dòng)化水平。系統(tǒng)控制界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制界面

3 結(jié)論

結(jié)合組態(tài)王和PLC對(duì)農(nóng)村供水處理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高農(nóng)村飲水控制系統(tǒng)的效率，改善飲水環(huán)境。因此推動(dòng)了供水新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品的發(fā)展，給供水工程帶來(lái)直接的、間接的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，惠及民生。