基于S7-300 PLC的循環(huán)水站控制系統(tǒng)

梁宇峰，羅益民，張媛媛

(1．南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京　210009；2．特變電工新疆硅業(yè)有限公司，新疆烏魯木齊　830000)

0　引言

循環(huán)水站控制系統(tǒng)是目前在工業(yè)循環(huán)水應(yīng)用領(lǐng)域十分普遍的控制系統(tǒng)，它包括恒壓供水和風機冷卻2個部分。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)資源浪費嚴重，而且水質(zhì)容易污染，對循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定和工業(yè)循環(huán)水設(shè)備的腐蝕存在很大的威脅，已不能滿足循環(huán)水系統(tǒng)的需求了。過去的循環(huán)水冷卻方法一般都是采用與空氣直接接觸的自然冷卻方法，或者采用機械風機進行冷卻的方式，但對資源的浪費都很巨大。隨著目前工業(yè)對資源的競爭越來越激烈，這些傳統(tǒng)的方法都將遭到淘汰[1]。

該系統(tǒng)的恒壓供水采用一臺變頻泵帶動多臺工控泵，引用變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)所檢測的壓力變化，通過S7-300 PLC控制變頻泵的轉(zhuǎn)速和水泵開啟的數(shù)量，同時可以進行自動和手動的切換，維持壓力的恒定，實現(xiàn)恒壓供水[2]。

1　循環(huán)水站控制系統(tǒng)

1．1循環(huán)水站的恒壓供水系統(tǒng)

1．1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

循環(huán)水站的恒壓供水系統(tǒng)是由1臺變頻器和4臺水泵(a，b，c，d)組成，其中水泵d為變頻泵，可以通過變頻器的變頻調(diào)速實現(xiàn)水泵的變頻控制，另外3臺水泵(a，b，c)為工控水泵，通過S7-300 PLC控制循環(huán)水的管網(wǎng)壓力實現(xiàn)水泵的自由切換，當變頻泵的頻率開到最大，壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力傳送給S7-300 PLC，如果管網(wǎng)壓力值達不到給定的壓力值就控制開啟工控水泵，按照a、b、c的順序依次開啟。測量的數(shù)據(jù)送給DCS做監(jiān)控，S7-300 PLC與DCS之間要做主從站的通訊，采用Modbus RTU協(xié)議，通過STEP7的編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。每臺循環(huán)水泵通過S7-300 PLC設(shè)計報警功能并在組態(tài)上顯示報警。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1．1．2工作原理

綜合泵站將生產(chǎn)用水送入吸水池，作為循環(huán)用水的來源，而且通過S7-300 PLC控制閥門的開度大小來控制吸水池的液位。另外PLC將安裝在循環(huán)總管管網(wǎng)末端的壓力傳感器所檢測的管網(wǎng)壓力與預(yù)先設(shè)定的壓力值進行比較，通過得出的壓力差來控制變頻器的輸出。并且根據(jù)4臺循環(huán)水泵電動機的定子溫度和軸承溫度值，設(shè)計上限連鎖停機和報警，當定子的溫度超過145 ℃，軸承溫度超過90 ℃，二者滿足其一時，就強制停止相應(yīng)的工作泵，從而有效保證水泵電機和現(xiàn)場環(huán)境的安全，延長水泵的使用壽命，減少企業(yè)的經(jīng)濟損失。

變頻器可以通過S7-300 PLC的模糊PID控制算法來控制輸出，通過比例-微分-積分調(diào)節(jié)，從而控制變頻泵d的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力并保持恒定，實現(xiàn)恒壓供水和節(jié)能的目的。

1．2循環(huán)水站變頻冷卻控制

循環(huán)水通過供水系統(tǒng)進入冷卻塔，進行冷卻控制。傳統(tǒng)的機械冷卻控制中的風機都是一直工作在恒定轉(zhuǎn)速下的，這樣不僅浪費了大量的電能，而且降低了風機的使用壽命[3]。該系統(tǒng)的7臺風機全部采用變頻器控制，通過控制循環(huán)水的溫度來調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而控制風機的轉(zhuǎn)速和風機的運行數(shù)量。設(shè)計溫度的閉環(huán)控制回路，當溫度過高時，升高頻率，提高風機的轉(zhuǎn)速；反之降低風機的轉(zhuǎn)速。實現(xiàn)對風機的合理利用，節(jié)約能源，保護環(huán)境。

1．3報警設(shè)計

系統(tǒng)中的循環(huán)水泵和風機都設(shè)計了啟動和停止按鈕，通過S7-300 PLC編程軟件和組態(tài)軟件WINCC對循環(huán)水泵和風機的按鈕進行控制。當啟動按鈕為亮綠色，延時5 s后變?yōu)榘稻G色，此時停止按鈕變?yōu)楸旧珪r，如果PLC 信號輸出大于4 mA，循環(huán)水泵和風機無運行狀態(tài)標志，則顯示報警，啟動按鈕閃爍；同樣當停止按鈕為亮綠，延時5 s后變?yōu)榘稻G，同時啟動按鈕按變?yōu)楸旧珪r，如果循環(huán)水泵和風機有運行狀態(tài)標志，則顯示報警，停止按鈕閃爍。

2　控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計

2．1硬件配置

系統(tǒng)采用S7-300 PLC 作為下位機采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，通過串口通訊模塊的Modbus RTU從站協(xié)議與DCS主站通訊，選用CP340作為串口通訊模塊，DCS選用C-300控制器。PLC的中央處理單元選用CPU-2DP，選用以太網(wǎng)模塊CP343-1進行上下位機的通訊，電源模塊選用PS307 5A，模擬量輸入模塊選用AI8×13Bit，模擬量輸出模塊選用AO4×12Bit，變頻器選用水泵與風機專用的MM440變頻器。管網(wǎng)壓力的測量精度要求較高，選用某品牌的壓力變送器[4]。

2．2軟件設(shè)計

2．2．1編程和監(jiān)控軟件的開發(fā)

下位機編程軟件采用SMATIC STEP7-V5．4，與STEP7-MicroWIN相比，它的編程更加簡潔，各個功能塊之間相互獨立，結(jié)構(gòu)明了，簡單實用。在系統(tǒng)中通過使用梯形圖和結(jié)構(gòu)化編程方法設(shè)計各個功能(FC)，實現(xiàn)變頻泵的模糊PID控制、工控泵的自動與手動控制、冷卻風機的PID變頻控制及設(shè)定壓力的回差控制。利用編程軟件STEP7-V5．4在相應(yīng)的組織塊中進行排除故障的編程，解決PLC因故障停機的問題[5]。

上位機監(jiān)控軟件采用SMATIC WINCC組態(tài)軟件，該軟件具有很強大的實用功能，可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，包括對數(shù)據(jù)進行采集、生成報表、歷史與實時曲線、報警記錄、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和修改等功能。

2．2．2管網(wǎng)壓力模糊PID控制器設(shè)計

在恒壓供水系統(tǒng)中，管網(wǎng)壓力是經(jīng)過加權(quán)后得到的，是一個很重要的控制參數(shù)，它的測量值決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此對于控制精度和實時性要求比較高。由于系統(tǒng)中管網(wǎng)壓力是非線性的，擾動量大，采用傳統(tǒng)的PID控制效果不理想，而且存在明顯的滯后現(xiàn)象。將模糊控制引入系統(tǒng)與PID控制相結(jié)合，設(shè)計針對系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的模糊PID控制器[6]。

模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用偏差e和偏差的變化率ec作為輸入信號的二維模糊控制。其中E和EC分別為e和ec的模糊化后模糊量；u和U分別為模糊控制的模糊輸出和實際輸出；Ke為偏差e的量化因子，Kec為偏差變化率ec的量化因子，Ku為控制輸出量u的變化因子；X為壓力測量值，Y為壓力的反饋值。

圖2　模糊PID控制器原理圖

在系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)下，輸入輸出量都有一個基本的變化范圍，管網(wǎng)壓力給定值X=500 kPa，實際測量的反饋壓力Y，偏差e=x-y。分別設(shè)定偏差e的變化范圍是[-30，+30]；偏差變化率ec的變化范圍是[-6，+6]；控制輸出量u的變化范圍是[-9，+9]，模糊變量E、EC、U的模糊論域都取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，則根據(jù)公式可以得到的量化因子Ke=3/30=0.1，ec的量化因子Kec=3/6=0．5，u的比例因子Ku=9/3=3。將E、EC、和U的語言值都取7檔，分別為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，根據(jù)控制經(jīng)驗得到語言變量的賦值表。

e、ec和u均取三角形隸屬函數(shù)，選用“ifeis a andecis b thenuisc”(其中a、b、c均為輸出、輸入語言變量中的元素)[7]，并根據(jù)現(xiàn)場管網(wǎng)壓力的控制經(jīng)驗和控制要求得出控制規(guī)則表。利用得到的語言變量賦值表和控制規(guī)則表，由模糊推理法求出對應(yīng)的模糊關(guān)系R，并做相應(yīng)的調(diào)整，最后得出模糊控制查詢表，如表1所示。

模糊PID算法在S7-300 PLC中實現(xiàn)的流程圖如圖3所示，首先，將量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的初始值依次存入數(shù)據(jù)塊DB1中；根據(jù)采樣時間計算e和ec并存入DB1中；將模糊化后得到的E和EC也存入DB1中。其次，把模糊查詢表中的各個元素按從上到下依次放入DB4．DBD0-DB4．DBD195中，同時通過將模糊論域[-3、-2、-1、0、1、2、3]轉(zhuǎn)化為[0、1、2、3、4、5、6、7]，可以為查詢過程提供極大的便利。最后根據(jù)算式，并采用間接尋址方式查表[8]，即得到模糊控制量U，在與比例因子Ku相乘去模糊化，得到實際輸出量u．最終通過將u送給PID控制器來對變頻泵的頻率進行控制，從而實現(xiàn)模糊PID在PLC中的應(yīng)用。

表1　模糊查詢表

該控制器在系統(tǒng)的實際運行中取得較好的效果，減少了達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間，有效地解決了管網(wǎng)壓力的非線性強和擾動大的缺點。實現(xiàn)恒壓供水的目的，節(jié)約能源。

3　恒壓供水的控制方法

系統(tǒng)的控制方法如圖4所示。若變頻器開到最大50 Hz，變頻泵d達到最大轉(zhuǎn)速，所測得的管網(wǎng)壓力達不到給定的要求，則自動啟動工控泵a[9]；若壓力還達不到要求，則啟動泵b；最后總管壓力還達不到要求，則啟動工控泵c，反之按順序c-b-a依次停泵。

為了保證循環(huán)水泵能夠正常運行，避免水泵出現(xiàn)時開時閉現(xiàn)象，后三臺工控泵在自動控制下進行回差控制，回差設(shè)定值分為3個層次，回差設(shè)定1的壓力值要高于回差設(shè)定2的壓力值，回差設(shè)定2的壓力值要大于回差設(shè)定3的壓力值，分別對應(yīng)a、b、c 3臺水泵進行設(shè)定，保證它們依次減小。當變頻泵頻率達到最大，且管網(wǎng)壓力當前值未達到回差1下限時，則水泵a啟動；當繼續(xù)調(diào)節(jié)變頻泵是頻率達到最大，且管網(wǎng)壓力當前值未達到回差2下限時，水泵b啟動；當在此調(diào)節(jié)變頻泵的頻率達到最大，且管網(wǎng)壓力當前值仍未達到回差3下限時，水泵c啟動。反之，當變頻泵的頻率調(diào)到最小值，且管網(wǎng)壓力超過回差設(shè)定值上限時，按順序c、b、a，依次停止水泵的運行。自動控制時，為了防止壓力已達到要求后，部分水泵可能會一直不參與工作，而導(dǎo)致生銹損壞，因此對a-c三臺水泵進行循環(huán)控制使用，即在泵a啟動后定時24 h交換壓力回差設(shè)定值1和2，使水泵循環(huán)到b，b運行24 h候再交換壓力回差設(shè)定值2和3，使c開啟，24 h后再交換壓力回差設(shè)定值3和1，通過循環(huán)交換壓力回差設(shè)定值實現(xiàn)水泵的循環(huán)使用。

由于系統(tǒng)中要求使用的循環(huán)水泵的電壓達到1 000 V，電壓很高，容易造成循環(huán)水泵電機的損壞，因此在自動控制下，進行循環(huán)水泵的交換時，必須延時1～2 min，保證水泵完全啟動和停止，再進行交換，避免循環(huán)水泵出現(xiàn)故障。

4　結(jié)束語

通過利用S7-300 PLC和WINCC對循環(huán)水站控制系統(tǒng)進行控制和組態(tài)，提高了循環(huán)水泵和變頻風機的使用壽命和工作效率，而且節(jié)約電能，降低成本。設(shè)計的模糊PID控制器應(yīng)用于管網(wǎng)壓力的控制，不僅提高了控制精度，而且極大地改善了恒壓供水系統(tǒng)的滯后問題，實現(xiàn)恒壓控制，節(jié)約大量的電能。

圖3　模糊PID在PLC中的流程圖

圖4　循環(huán)水泵控制流程圖

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于新疆某硅業(yè)公司，系統(tǒng)運行穩(wěn)定而且效果顯著，基本達到預(yù)期節(jié)能、減排的目標。

參考文獻：

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