張燕妮，蔡麗萍，趙鳳英

（青島城市學(xué)院，山東 青島 266000）

目前城市供水壓力越來越大，水資源不足，水環(huán)境越來越惡劣，而且水資源管理技術(shù)不合理、效果不理想，區(qū)域供水都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔、高位水池等設(shè)施來實現(xiàn)。但是，不同時段用戶用水量也不同，所以存在供水與用水不平衡的現(xiàn)象，更多表現(xiàn)為供水壓力的變化。供水量比用水量少，壓力就會較低，反之供水壓力就會較高。本設(shè)計采用根據(jù)實際壓力進(jìn)行水泵運行狀態(tài)的切換運行和壓力穩(wěn)定時3臺水泵循環(huán)運行的方式，使得在同一時刻1臺變頻器只控制1臺水泵的變頻，可大幅度減少自動供水系統(tǒng)的建設(shè)成本。

1 系統(tǒng)組成

該套系統(tǒng)由1個液位傳感器、組態(tài)控制畫板、3臺水泵、1個壓力傳感器、1臺變頻器以及PLC構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在3臺水泵中，各臺泵的出水管均設(shè)置有手動閥，對水量進(jìn)行調(diào)節(jié)及維修，3臺泵協(xié)調(diào)運行以保障供水需求。首先，PLC程序控制變頻器起動，以預(yù)先設(shè)定好的壓力設(shè)定值與壓力傳感器在供水管道中測量的壓力實際值進(jìn)行比較，用兩者的偏差信號調(diào)控PID的同時把所設(shè)定的信號傳輸至變頻器。再根據(jù)所設(shè)置的加速時間、頻率給定信號，變頻器對水泵的轉(zhuǎn)速施加控制，以使水壓的波動保持在壓力的上下限內(nèi)，實現(xiàn)恒壓。同時，運行頻率達(dá)到上限后，變頻器會向PLC傳送頻率到達(dá)信號，而PLC程序會結(jié)合以上信號判斷第2臺泵（或者第3臺泵）啟動與否。如果變頻器運行頻率達(dá)到上限后，并在一定時間內(nèi)保持，那么PLC會切換泵的運行狀態(tài)由變頻為工頻，并迅速起動下一臺泵。PID在此時仍舊會分析壓力傳感器傳輸?shù)男盘柌⒂嬎?，對變頻器的運行頻率進(jìn)行控制，使管壓的變化保持在壓力設(shè)定值的上下限內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件選型

西門子S7-300的CPU型號非常豐富，各型號對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都有一定的差異。而CPU指標(biāo)技術(shù)涵蓋了計算速度、編程資源、存儲量、通信資源等方面，通常CPU模塊包含DC24Ⅴ連接器、MPI、狀態(tài)和故障指示裝置、RS-485編程接口、后備電池、模式選擇開關(guān)。部分型號CPU還配置了存儲卡、PROFIBUSDP（現(xiàn)場總線接口）等。

本設(shè)計中的自動供水系統(tǒng)程序量中等，所占用存儲空間不大。供水系統(tǒng)的工作不是高精度工作，所需要的通信資源和編程資源不多。但本設(shè)計需要和工作現(xiàn)場通過現(xiàn)場總線進(jìn)行連接，所以需要PROFIBUSDP（現(xiàn)場總線接口）。

綜合以上需求，本設(shè)計最終選擇S7-300CPU的型號為CPU 315-2DP。CPU 315-2DP基本指標(biāo)：48 KB工作內(nèi)存，0.3 ms/1 000條指令，MPI+DP連接，多排最多可組態(tài)32個模塊。適用于中或高程序量、聯(lián)網(wǎng)、有PROFIBUSDP分布式結(jié)構(gòu)要求的設(shè)備[1]。

變頻器主要通過電力半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)換工頻電源，得到其他頻率的電能控制設(shè)備，可實現(xiàn)眾多功能，如改變功率因素、交流異步電機的軟起動、過流/過壓/過載保護(hù)、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度等。

選擇變頻器時需結(jié)合生產(chǎn)機械的靜態(tài)速度精度、類型、起動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍等，選出契合度最高的變頻器。契合度最高，也就是經(jīng)濟、好用，且可滿足生產(chǎn)與工藝的基本要求。

采用MciorMaster430系列變頻器，型號為6SE6430-2UD27-5CA0。MicroMaster430系列變頻器特別適合用于水泵和風(fēng)機的驅(qū)動，功率為7.5～250 kW。該變頻器靈活性與可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)旁路功能、多泵切換、節(jié)能運行、手動/自動切換、斷帶及缺水檢測等功能。

本設(shè)計選用MciorMaster430系列，型號為6SE6430-2UD37-5FB0的變頻器，此變頻器使用的是微處理器，功率輸出器件使用的是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），功能多樣，運行可靠性較高。變頻器的脈沖寬度調(diào)制可以選擇開關(guān)頻率的，所以電動機具有更低的運行噪聲。加之保護(hù)功能完善、全面，使電動機與變頻器被較好保護(hù)。

循環(huán)水供水總管出口壓力測量范圍為0～1 MPa，循環(huán)水回水總管出口壓力測量范圍為0～1 MPa，消防水池液位測量范圍為0%～100%。

3 系統(tǒng)的監(jiān)控方案

3.1 上位機的選擇

上位機選用研華工控機，可適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，可長時間不間斷運行。

用研華公司的工控機代替普通PC機后，系統(tǒng)的抗干擾性、穩(wěn)定性、不間斷性得到大大提高。采用的研華工控機具有以下特點：采用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊能力；機箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽；機箱內(nèi)有專門電源，電源有較強的抗干擾能力。操作系統(tǒng)為WindowsXP。

3.2 模塊的選擇

模塊選用ADAM-4000系列模塊，該系列產(chǎn)品是通用傳感器到計算機的小型接口單元。該系列產(chǎn)品具有內(nèi)置的微處理器、堅固的工業(yè)級塑料外殼，使其可以獨立提供智能信號調(diào)理、模擬量I/O、數(shù)字量I/O、數(shù)據(jù)顯示和RS-485通訊等功能[2]。

3.2.1 通訊模塊的選擇

通訊模塊為研華模塊ADAM-4520和RS232轉(zhuǎn)RS485模塊。

3.2.2 采集模塊的選擇

數(shù)據(jù)采集模塊為研華模塊ADAM-4117/8路模擬量輸入模塊（電壓和電流均可）、ADAM-4015/6路熱電阻輸入模塊（PT100信號）和ADAM-4024/4路模擬量輸出模塊。

3.2.3 控制模塊的選擇

數(shù)據(jù)采集控制器為研華模塊ADAM-4055/16路隔離數(shù)字量輸入模塊和ADAM-4168/8路繼電器。

3.3 監(jiān)控中心

為了集中監(jiān)視和管理企業(yè)消防管網(wǎng)的數(shù)據(jù)，在上位機安裝了組態(tài)王軟件，完成對整個消防系統(tǒng)的監(jiān)控，組態(tài)王軟件畫面友好，通用性好，可以實現(xiàn)消防水池儲水液位、管道進(jìn)水壓力、管道出水口壓力、報警信息等功能，實現(xiàn)消防系統(tǒng)的自動監(jiān)控和集中管理功能。其監(jiān)控面面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)報表一方面可以及時顯示整個生產(chǎn)流程的生產(chǎn)狀況，另一方面可以長時間對生產(chǎn)流程的參數(shù)進(jìn)行整合、對比，讓操作人員及時了解和對比生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)查詢：ReportSetHistData2(2，1)。

報表清除：ReportSetCellString2("Report2"，2，1，100，30，"")。

本設(shè)計為自動供水上位機系統(tǒng)設(shè)計了實時曲線畫面，如圖3所示，可以使操作人員通過曲線的實時變化直觀監(jiān)控系統(tǒng)中的管網(wǎng)壓力和水池水位。

圖3 趨勢曲線

4 實現(xiàn)的控制任務(wù)

4.1 實時數(shù)據(jù)采集顯示和控制

運用數(shù)據(jù)采集模塊實時采集現(xiàn)場溫度、壓力、流量、液位等檢測點及設(shè)備啟停等控制點。上位機安裝組態(tài)王組態(tài)軟件系統(tǒng)，建立模擬現(xiàn)場實際系統(tǒng)的畫面，接收下位機的實時數(shù)據(jù)信息，并直觀顯示在顯示界面中供操作人員查看。用數(shù)據(jù)采集控制器對相應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行控制。

4.2 手動/自動功能

手動功能：由操作員控制閥門的開關(guān)，測試閥門是否正常，系統(tǒng)調(diào)試運行的時候也用手動功能生產(chǎn)。

自動功能：閥門開關(guān)、狀態(tài)切換按照規(guī)定的時序自動運行，處于正常生產(chǎn)狀態(tài)。

4.3 參數(shù)設(shè)置

本系統(tǒng)可以對生產(chǎn)水泵的停泵連鎖液位值進(jìn)行設(shè)定。通過雙擊畫面中相應(yīng)的文本處進(jìn)行模擬值輸入，然后將設(shè)定的參數(shù)下發(fā)到數(shù)據(jù)采集控制器來控制系統(tǒng)工作。

4.4 液位連鎖控制功能

采集到的液位數(shù)據(jù)除了實時顯示以外，系統(tǒng)還根據(jù)液位數(shù)據(jù)的大小對相應(yīng)的水泵開關(guān)進(jìn)行控制，以保證水池的液位處在正常水平。此系統(tǒng)的消防水池液位和生產(chǎn)水泵構(gòu)成液位連鎖控制，當(dāng)消防水池的液位值小于設(shè)定值時，生產(chǎn)水泵就得停泵，以保證消防水池的液處于正常水平。

4.5 水泵連鎖控制

本系統(tǒng)設(shè)置了高壓消防水泵連鎖控制和低壓消防水泵連鎖控制。當(dāng)處于連鎖控制狀態(tài)，高壓消防管網(wǎng)壓力開關(guān)開啟時，高壓消防水泵a和高壓消防水泵b為一開一閉狀態(tài)；低壓消防管網(wǎng)壓力開關(guān)開啟時，低壓消防水泵a和低壓消防水泵b也是一開一閉狀態(tài)。

4.6 曲線繪制

根據(jù)采集到的實時數(shù)據(jù)，通過上位機中組態(tài)軟件的歷史記錄窗口，可以繪制歷史庫中任意參數(shù)的實時曲線和歷史曲線。

5 結(jié)束語

本自動控制系統(tǒng)的主要特點如下：設(shè)備實時監(jiān)控控制；自動、手動切換控制運行；可生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的合格產(chǎn)品；操作容易，在上位機上完成全部操作。

該自動控制工藝與傳統(tǒng)工藝相比具有自動化水平高、操作簡單、產(chǎn)品穩(wěn)定、容易維護(hù)的特性。此次研究對實際生產(chǎn)具有很高的指導(dǎo)作用，不僅可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，而且會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。