改造者：于海波

西門子S7-200PLC在給排水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

改造者：于海波

城市給排水系統(tǒng)中水泵電機的控制和穩(wěn)定運行，是確保城市給排水安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟高效穩(wěn)定運行的重要保障性基礎(chǔ)。本文就西門子可編程控制器在市政給排水系統(tǒng)中的應(yīng)用進行分析與探討，并提出了相關(guān)的技術(shù)優(yōu)化。

水泵作為給排水工業(yè)中常用的設(shè)備，應(yīng)用十分廣泛，尤其是多臺水泵組成的水泵組十分常見。水泵組或其他設(shè)備組的自動化循環(huán)控制非常普遍，但在實際應(yīng)用中，有很多的控制方案都缺乏最優(yōu)化的設(shè)計，無形中增加了設(shè)備的損耗，降低了效率。高能耗已成為城市給排水系統(tǒng)一大瓶頸，提高水泵電機的運行可靠性、調(diào)控平衡性能以及電能綜合利用效率，對低碳綠色環(huán)保新社會中的節(jié)能降耗有著非常重要的作用。采用PLC和變頻器對電機拖動系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造，可以根據(jù)用戶需求用水量的波動情況，實時動態(tài)調(diào)節(jié)水泵電機的輸入電源頻率來進行運行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)設(shè)計

圖1　城市污水泵站工藝流程

現(xiàn)場泵站運作工藝流程

城市污水泵站的作用主要用于攔截廢棄物及提升水位運送至污水處理廠，其工藝流程見圖1所示。

現(xiàn)場泵站運行的主要控制設(shè)備為格柵機和潛水泵。工作人員在現(xiàn)場泵站主要負(fù)責(zé)采集格柵機及潛水泵的運行數(shù)據(jù)，如污水液位、流量，機器運行電流等，并負(fù)責(zé)對泵站設(shè)備進行自動化控制。水泵主控電路根據(jù)工藝要求，選擇一臺西門子S7-200中CPU226型PLC控制器，通過對壓力變送器檢測出的水位位置來控制變頻器實現(xiàn)自動調(diào)速。主站根據(jù)集水池液位計算出當(dāng)前水池儲水量并根據(jù)各站水泵給水能力實時判斷應(yīng)開啟一組或多組從站水泵，為保障水泵壽命，令水泵輪流給水，并根據(jù)管道的延遲，在所需液位到達(dá)前提前停泵，以使液位不致太高。實時判斷從站水泵故障與通信故障，如出現(xiàn)故障則聲響報警且動作聯(lián)鎖條件，停止對從站水泵的開泵條件。

泵站現(xiàn)場控制系統(tǒng)硬件組成

泵站現(xiàn)場控制主要PLC控制器、執(zhí)行器及傳感器組成。PLC控制器發(fā)出指令，對設(shè)備進行直接操作，如設(shè)備啟停；當(dāng)一臺設(shè)備運行時間過長，可以手動切換，在設(shè)備出現(xiàn)故障，需要維修時或是遇到緊急情況時使用。執(zhí)行器主要由閥門、變頻器等構(gòu)成，主要可以用來控制液位及水泵的開停等。傳感器包括壓力傳感器、泵機電流檢測器等組成，它們通過傳感器或測量裝置等完成對工藝、電氣數(shù)據(jù)的采集以及設(shè)備控制。

PLC系統(tǒng)硬件選擇

可編程控制器（PLC）以其結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用靈活、功能完善、操作方便、速度快、可靠性高、價格低等優(yōu)點，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中，并且在自動控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，已成為與DCS并駕齊驅(qū)的主流工業(yè)控制系統(tǒng)。PLC以其顯著的優(yōu)點而廣泛用于工業(yè)控制中，在實際應(yīng)用中涉及的問題很多。在PLC選型時應(yīng)遵循以下注意事項：

在可編程邏輯控制器系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是可編程邏輯控制器工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定可編程邏輯控制器的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的可編程邏輯控制器和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)選擇西門子S7-200CUP226型號PLC并連接EM223和EM235模塊。CPU226共有數(shù)字量輸入24，數(shù)字量輸出16?？蛇B接7個擴展模塊，共有2個RS-485接口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。EM223選擇型號為型號：6ES7 223-1PH22-0XA0。共有數(shù)字量輸8個和數(shù)字量輸出8個。輸入電壓額定值：24V DC。功耗：3W。重量：200g。EM235共有模擬量輸入4個和模擬量輸出1個。輸入類型：差分輸入，功耗：2W。重量186g。

圖2　變頻器結(jié)構(gòu)圖

變頻器介紹

變頻器電路一般由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制電路四個部分組成（如圖2所示）。

考慮到系統(tǒng)的硬件兼容性和各個獨立硬件的性能指標(biāo)，本項目選擇了德國西門子公司的通用型變頻器MM420，能夠充分的滿足控制要求。

MICROMASTER420是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。本系列有多種型號，從單相電源電壓，額定功率120W到三相電源電壓，額定功率11KW可供用戶選用。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。

在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，水泵電機控制系統(tǒng)在從電網(wǎng)系統(tǒng)中獲得頻率為50Hz的交流電源后，就會通過PLC控制器發(fā)出對應(yīng)命令，經(jīng)變頻器內(nèi)部整流電路、濾波電流等相關(guān)電路轉(zhuǎn)換成直流電源后，再經(jīng)變頻器控制單元的直流逆變電路轉(zhuǎn)換成頻率f和電壓U均滿足電機實時調(diào)控需要的交流電源，直接供給電機拖動系統(tǒng)中提供動力，經(jīng)電機拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換輸出所需的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對水泵電機拖動系統(tǒng)的動態(tài)變頻調(diào)節(jié)控制。對于水泵電機拖動系統(tǒng)而言，根據(jù)整個拖動系統(tǒng)用戶需水量的動態(tài)波動變化，通過PLC控制器和變頻器組成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的相關(guān)功能單元的動態(tài)調(diào)節(jié)，來優(yōu)化水泵電機的實時調(diào)節(jié)運行的工況曲線，達(dá)到節(jié)能降耗動態(tài)調(diào)控的目的。

液位檢測設(shè)計

當(dāng)水泵啟動后，壓力變送器檢測出4～20 mA 水位電流信號輸送到S7-200PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并判斷確定水位處于先前建立的7 檔水位中的哪一檔位。這里程序設(shè)計采用了對輸入模擬信號采集50個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算來判斷水位準(zhǔn)確的停留位置。水泵啟動后，自動跳入某個水位時，程序設(shè)計采用了順序功能圖編程法（SFC）與梯形圖法相結(jié)合的組態(tài)方式，對水位位置的選擇確定設(shè)計了7個S21～S27 狀態(tài)元件，根據(jù)不同水位的電流信號來判定變頻器應(yīng)變速到哪個頻率上，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)輸出水流量的目的。

結(jié)束語

城市給排水泵站采用PLC系統(tǒng)管理，西門子S7 -200小型PLC具有開發(fā)周期短，性能可靠，工作穩(wěn)定，易于操作維護等優(yōu)點。應(yīng)用PLC大大節(jié)約了人力物力，系統(tǒng)設(shè)計合理、安全性較高，更重要的是切實解決了城市排水困難的問題。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.030