巫慶輝，劉　磊，申慶歡

(渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州121013)

?

基于PLC與HMI的恒壓供水實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

巫慶輝*，劉磊，申慶歡

(渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州121013)

摘要：為了便于學(xué)生對PLC、變頻器及觸摸屏技術(shù)的理解與掌握，設(shè)計(jì)了一套基于PLC與HMI的恒壓供水實(shí)訓(xùn)平臺，通過PLC、HMI與變頻技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，同時(shí)具有故障報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測等功能. 另外，該平臺的自主性實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生動手、動腦能力和創(chuàng)新發(fā)展能力.

關(guān)鍵詞：PLC；HMI；恒壓供水；實(shí)訓(xùn)平臺；變頻技術(shù)

0引言

隨著我國城市化的迅速發(fā)展，高層建筑供水問題日益突出，為了保證居民在各時(shí)間段都能夠正常用水，對供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制性能等方面都提出了更高要求〔1-5〕.不僅要保證供水質(zhì)量，還要對供水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證系統(tǒng)的安全可靠〔6-9〕.

實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究盡管目前已取得一定的成果〔10-12〕,但是為了更好地將項(xiàng)目驅(qū)動法引入教學(xué)環(huán)節(jié)，解決教學(xué)手段落后、學(xué)生動手操作少的問題，本文以PLC、變頻器為主構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)與HMI組態(tài)控制相結(jié)合，構(gòu)建PC組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、觸摸屏監(jiān)控、現(xiàn)場手動控制的三位一體的恒壓供水系統(tǒng)，不僅可以在人機(jī)界面上設(shè)定壓力、PID控制器等參數(shù)，也可在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、導(dǎo)出. 從控制方式上既實(shí)現(xiàn)了控制的方便靈活性，又保證了供水的可靠性.

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

供述系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、觸摸屏HMI組態(tài)、PC組態(tài)三部分組成.其實(shí)驗(yàn)室模型如圖1所示. 供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)由PLC、變頻器、觸摸屏、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、交流接觸器、水泵機(jī)組、電動調(diào)節(jié)閥等組成.由觸摸屏作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī).

在系統(tǒng)硬件方面，采用變頻器和水泵機(jī)組一用一備的冗余設(shè)計(jì)，通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩套設(shè)備的交替工作，并且兩套設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)軟停車和軟啟動，啟停方式既可通過現(xiàn)場的按鈕開關(guān)控制，也可通過觸摸屏來進(jìn)行遠(yuǎn)程操控.恒壓供水系統(tǒng)主要由步科ET070觸摸屏、海為HW-S20ZA220R型PLC、科潤ACD200-2S1.5GB型變頻器、液位傳感器、流量傳感器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、交流接觸器等構(gòu)成，在控制系統(tǒng)控制下執(zhí)行相應(yīng)的動作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓供水.

主控制器選用海為HW-S20ZA220R型PLC.海為HW-S20ZA220R型PLC是一款通用型高性價(jià)比的小型可編程控制器，除自身帶有各種外設(shè)接口外，還可擴(kuò)展各種類型的擴(kuò)展模塊，進(jìn)行靈活的配置.支持多種通訊協(xié)議，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能夠很好地運(yùn)用于人機(jī)交互的數(shù)據(jù)傳輸.科潤ACD200-2S1.5GB型變頻器采用先進(jìn)的控制方式實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動，能夠滿足通用變頻器的各種要求，其適配電機(jī)功率l5kW以下，并且內(nèi)置優(yōu)化的PID控制器，可以簡化PLC在PID控制方面的開銷，節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，降低開發(fā)成本.

圖1恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)圖2系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

步科ET070觸摸屏采用400MHz高速CPU，數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，通訊傳輸速度更快，多頁切換速度更流暢；觸控靈敏，方便易用；16∶9寬屏，TFT液晶顯示，色彩65536色，顯示更豐富多彩.

2主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電氣主電路如圖3所示，利用水泵機(jī)組M1、M2進(jìn)行供水，并且由KM11、KM12和KM13、KM14分別進(jìn)行控制；KM1、KM2分別為控制1#、2#變頻器接通電源的接觸器；KM3則為進(jìn)行變頻母線的選擇.通過各組接觸器的開合以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組以及變頻器的交替使用.

圖3恒壓供水系統(tǒng)電氣主電路設(shè)計(jì)方案圖4 觸摸屏組態(tài)畫面結(jié)構(gòu)

3觸摸屏監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

觸摸屏是一種智能化的人機(jī)交互界面，它可以實(shí)現(xiàn)對控制設(shè)備和控制對象的監(jiān)視和控制〔10〕.本系統(tǒng)采用步科ET070觸摸屏，使用kincoHMIware_V2.0進(jìn)行觸摸屏組態(tài)的制作.供水系統(tǒng)的觸摸屏組態(tài)畫面結(jié)構(gòu)如圖4所示.

整個(gè)觸摸屏組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由歡迎界面、監(jiān)控界面、設(shè)置界面和數(shù)據(jù)報(bào)表界面四個(gè)主要畫面組成.

主界面如圖5所示，用戶通過登錄后進(jìn)入到這個(gè)界面，在這個(gè)界面上主要有“退出系統(tǒng)”、“供水監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)置”三個(gè)選項(xiàng)， “退出系統(tǒng)”選項(xiàng)直接退出觸摸屏組態(tài)到登錄界面；“供水監(jiān)控系統(tǒng)”選項(xiàng)則是進(jìn)入到監(jiān)控界面；“設(shè)置”選項(xiàng)則是進(jìn)入設(shè)置界面.

圖5主界面圖6監(jiān)控界面

監(jiān)控界面如圖6所示，在這個(gè)界面通過組態(tài)動畫圖像的形式向用戶顯示當(dāng)前供水系統(tǒng)的工作情況.PLC將各處傳感器測量值處理傳輸?shù)接|摸屏，用戶可以通過該界面可以對閥門開度、水池液位、真空度、管內(nèi)的壓力、流量等數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測，并且可以參考這些數(shù)值來設(shè)置壓力值和控制1#、2#水泵機(jī)組的啟停.同時(shí)用戶也可以通過右側(cè)的選項(xiàng)，從這個(gè)界面轉(zhuǎn)向趨勢圖、實(shí)時(shí)棒圖、數(shù)據(jù)報(bào)表頁面以及主頁頁面.

數(shù)據(jù)報(bào)表頁面如圖7所示，數(shù)據(jù)報(bào)表頁面主要是以顯示當(dāng)日的日報(bào)表為主，PLC將系統(tǒng)反饋會的數(shù)據(jù)處理后發(fā)給觸摸屏，觸摸屏將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)記錄，以報(bào)表的顯示壓力、流量、液位等數(shù)據(jù)供用戶查看，以便用戶了解供水系統(tǒng)的過往情況.

圖7數(shù)據(jù)報(bào)表界面圖8設(shè)置界面

設(shè)置頁面如圖8所示，設(shè)置界面分為三個(gè)部分，即控制器設(shè)置、時(shí)間設(shè)置和系統(tǒng)設(shè)置.三個(gè)界面的跳轉(zhuǎn)通過左側(cè)的觸摸按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)換.在控制器設(shè)置界面，主要是對系統(tǒng)PID參數(shù)的設(shè)置，通過外設(shè)鍵盤輸入PID參數(shù)的設(shè)定值，然后由PLC擔(dān)任通訊媒介，對變頻器的PID參數(shù)進(jìn)行修改；時(shí)間設(shè)置界面則主要對水泵機(jī)組的投切時(shí)間進(jìn)行設(shè)置；系統(tǒng)設(shè)置主要是對于觸摸屏組態(tài)軟件的一些設(shè)置，例如亮度等.

4結(jié)論

恒壓供水系統(tǒng)通過PLC和觸摸屏進(jìn)行控制，由于PLC自身優(yōu)良的穩(wěn)定性，因此能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高精度控制.而觸摸屏的應(yīng)用，則實(shí)現(xiàn)了工作人員脫離現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠在不受外界環(huán)境干擾的情況下對供水系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)操作，使得供水系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性，運(yùn)用范圍變得更加寬廣.

在項(xiàng)目開發(fā)過程中，使得學(xué)生掌握組態(tài)軟件的編程技術(shù)，提高學(xué)生對可編程邏輯控制器技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、組態(tài)軟件控制技術(shù)的理解與實(shí)際應(yīng)用能力.通過本項(xiàng)目的實(shí)施，提升本科生的實(shí)踐能力與自主創(chuàng)新能力，最終培養(yǎng)與訓(xùn)練出一支優(yōu)秀的學(xué)生隊(duì)伍，進(jìn)一步提高學(xué)生就業(yè)能力與研發(fā)能力.

參考文獻(xiàn):

〔1〕王曉瑜.基于PLC和HMI的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔J〕.制造業(yè)自動化, 2011, 33(10): 120-122.

〔2〕趙韋侖,王艷.基于HMI組態(tài)控制的電廠主管節(jié)能恒壓供水系統(tǒng)的研究〔J〕.沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 7(3): 252-255.

〔3〕黃銳鴻.PLC與觸摸屏在恒壓供水中的應(yīng)用〔J〕.機(jī)電工程技術(shù),2009, 38(5): 77-81.

〔4〕殷佳琳，王舒華，張文君.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔J〕.控制工程, 2014, 21(2): 309-311.

〔5〕朱志英.基于PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)教學(xué)領(lǐng)域的項(xiàng)目化教學(xué)研究〔J〕.電腦知識與技術(shù), 2015, 11(6): 168-169.

〔6〕史寶忠.PLC觸摸屏在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用〔J〕.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 26(5): 9-10.

〔7〕杜韋辰,張世俊.基于PLC與觸摸屏的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)〔J〕.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 10(2): 20-22.

〔8〕朱雪凌,張娟,許智勇,等.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)〔J〕.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 34(2): 87-90.

〔9〕葛新鋒,閆小行.基于PLC和觸摸屏控制的恒壓供水系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔J〕.工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2008, 21(10): 23-24.

〔10〕騰香. 近代物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)研究與實(shí)踐〔J〕. 渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2015, 36(3)： 204-207.

〔11〕巫慶輝，龐艷偉. 基于VB與Matlab的磁化曲線實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的開發(fā)〔J〕. 渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2013, 34(2)： 165-171.

〔12〕祁國權(quán)，任超.RC積分電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究〔J〕. 渤海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2015, 36(2)： 106-109.

DesignandrealizationofthetrainingplatformofconstantpressurewatersupplysystembasedonPLCandHMI

WUQing-hui，LIULei，SHENQing-huan

(CollegeofEngineering,BohaiUniversity,Jinzhou121013,China)

Abstract：InordertomakestudentsunderstandandmasterofPLC,frequencyconverterandthetechnologyoftouchscreen,atrainingplatformofconstantpressurewatersupplysystembasedonPLCandHMIisdesigned.BythecombinationofPLC,HMIandfrequencyconversiontechnology,itrealizestheautomaticcontrolofconstantpressurewatersupplysystemwithfrequencyconversion,togetherwithfaultalarm,real-timedataacquisitionandreal-timemonitoringandetc.Inaddition,theindependentexperimentsoftheplatformcanimprovethestudents′practical,mentalandphysicalabilitiesandcreativeability.

Keywords：PLC;HMI;constantpressurewatersupply;trainingplatform;frequencyconversiontechnology

收稿日期：2015-01-13.

基金項(xiàng)目：遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目(No:UPRP20140866);渤海大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(No:071502221).

作者簡介：巫慶輝(1974-)，男，博士，副教授，主要從事交流調(diào)速理論與方法方面的研究.

通訊作者：wqh_bhu@163.com.

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-0569(2016)01-0088-04