新疆某引水工程的控制系統設計

分類：技術教程日期：2011-12-16 00:00:00 來源：西部工控網

　　0 引言

　　在新疆的建設與發展中，水資源歷來是最大的制約因素，在可持續發展的條件下合理利用現有的水資源一直是學者和專家研究的熱點。庫爾勒經濟技術開發區于2007年成立，規劃面積為140平方公里，它作為庫爾勒市甚至巴音郭楞蒙古自治州工業崛起的脊梁，將帶動天山南坡經濟帶的發展，但庫爾勒氣候干旱，水資源匱乏成為開發區發展的瓶頸。新疆某引水工程正是出于對經濟發展和生態平衡的雙重考慮，于2009年初開始施工建設。

　　引水工程中的重點在水源附近的泵房，其功能是把水源中的水抽進長達6.02公里的混凝土管道，保證水順利到達開發區內。取水點與開發區之間的高度差約為40米，使得抽水所用的水泵功率為1250KW才能滿足動力要求，而且，泵房停機時的回水壓力巨大，如沒有科學的控制與管理系統，會造成管道損壞，威脅管理人員的人身安全[1][2]。本文通過目前先進的工業現場控制方案，解決了上述問題，實現了經濟與環境的和諧發展。

　　1 泵房的系統構成

　　1.1 系統設備介紹

　　泵房的基本構成如圖1所示，為了保證系統工作的工作效率和穩定性，采用了2條并行的輸水線路選擇性的工作。同時，在水源的水進入抽水系統前，經過一個過濾池，去除水中存在的各種雜物，保證系統工作時的安全。

　　水泵所用電機功率為1250KW，額定電壓10KV，電機使用軟啟動柜進行分段啟動；5個調節閥選用上海斯托克公司SK系列閥，驅動電壓為380V或220V，控制信號與遠程閥位的反饋信號均為標準的4—20mA電流；出水閥前端各有一個起保護作用的單向閥，合并管道前端有泄水管道及泄水的單向閥；水泵與出水閥之間還安裝有重慶川儀的PDS423壓力變送器，監視管道內的壓力變化。

圖1泵房的系統構成

　　1.2 系統工作要求

　　針對第一條工作線路來說，1#電機啟動時，首先調節1#進水閥全開，1#出水閥全關，然后1#電機動作，水泵隨電機啟動開始工作，管道內開始進水，管道內水壓增大，當壓力變送器檢測到水壓值達到0.65MPa時，1#出水閥開始打開，直至全開；1#電機停止時，1#電機首先停止工作，20秒延時后，1#出水閥開始關閉，直至全閉，1#出水閥完全關閉后，1#進水閥開始關閉，直至全閉。2#電機的動作條件和程序與1#電機相同，但需要注意的是，1#電機與2#電機啟動的時間間隔為30分鐘，1#電機與2#電機停止的時間間隔為20分鐘，如果其中一臺電機單獨工作，可以隨時啟動或停止。

　　2 泵房的控制系統搭建

　　泵房安全狀態受到設備工作情況的影響，選擇控制器的重點在于其工作的穩定性，經過多方面的比較，決定采用西門子公司的S7-200PLC作為控制核心。S7-200PLC是西門子公司開發的小型可編程控制器，可以單機控制，也可以進行模塊的擴展，屬于整體式結構。它價格低廉、結構小巧、可靠性高、運行速度快，有極豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，具有很高的性價比。CPU選擇了224XPCN，該CPU集成有14輸入/10輸出共24個數字量I/O點；數字量擴展模塊選擇了EM223，該模塊有8輸入/8輸出共16個數字量I/O點；模擬量模塊選擇了EM235，該模塊有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出[3]。上位的人機界面選擇了兩種方式，一是工控計算機，二是觸摸屏。

　　整個控制系統的結構如下圖所示。

圖2控制系統的結構

　　PLC控制高壓軟啟動柜，從而達到啟動或停止電機的目的，同時把電機的狀態信息傳回至上位機和觸摸屏；安裝在管道上的壓力傳感器的信號和調節閥的閥位信號通過防干擾的信號隔離器，進入EM235模塊，通過模塊間的排線將信息傳送到CPU中。

　　3 控制程序與監控畫面設計

　　3.1 控制流程圖

　　根據泵房的工作流程，編寫了控制流程圖，如圖3所示。

圖3泵房控制流程圖

　　3.2 梯形圖與HMI畫面的編寫

　　S7-200PLC使用STEP7-Micro/WINV4.0軟件編寫程序，編程語言選擇了技術人員所熟知的LAD。PLC的CPU需要同時與觸摸屏和工控機通信，224XPCN型號的CPU恰好有2個485串口，Port1口與觸摸屏連接，Port0口采用Modbus的通信協議與工控機連接[4]。在工控機的人機界面中，沒有單獨的組態軟件對輸水的設備進行監控，這些信息與泵房內的高低壓變電設備信息一起，集成在四川金泰格公司自主開發的監控軟件中。

　　梯形圖的Modbus初始化程序如圖4所示。MBUS_INIT指令中，Mode用來選擇通信協議，將其輸入值設定為“1”，表示CPU將Port0口定義為Modbus通信協議，并使能該協議；Addr用于設置站地址的值；Baud用于設置通信的波特率，可以設定為1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200共8個值，在此選擇9600；Parity用于設置校驗，使Modbus的從站與主站相匹配；Delay用于設置延遲參數，由于本系統為有線網絡，所以設置該參數為典型值0；MaxIQ用于指定主設備可以使用的I/O點數；MaxAI指定了主設備可以使用的模擬量輸入字的個數；MaxHold指定了主設備可以訪問的保持寄存器的最大個數；HoldSt～用于設置保持寄存器的起始地址[5]。當MBUS_SLAVE指令對Modbus請求作出應答時，“完成”輸出打開，如果沒有需要服務的請求時，“完成”輸出關閉。“錯誤”輸出包含執行該指令的結果，該輸出只有在"完成"打開時才有效，如果"完成"關閉，錯誤參數不會改變[6]。

　　此外，由于泵房內的2條輸水線路工作順序相同，所以對其編寫了子程序，在主程序中分別調用，賦予不同的實參即可。這一優點縮短了程序編寫的時間，同時增加了CPU的工作效率。

圖4Modbus初始化

圖5MT500HMI界面

　　HMI設備選擇的是威綸通科技有限公司生產的MT500觸摸屏，它具有很高的性價比，可以滿足現場的工作要求。為觸摸屏編輯畫面的軟件為EasyBuilder，共建立了狀態畫面、1#電機操作畫面、2#電機操作畫面、泄水閥的控制、報警畫面5個窗口[7]。圖5所示為1#電機操作畫面，有電機停止和啟動的手動按鈕，有電機的狀態指示，有管道工作壓力值，還有進水閥與出水閥的控制按鈕和狀態指示，畫面結構簡單，可以容易的被工作人員理解。

　　4 結語

　　該控制系統采用了目前典型的工業控制方案，硬件的選擇與搭配考慮了工作可靠性與經濟適用性兩個方面。自該引水工程竣工以來，運行結果證明，泵房的控制系統運行穩定，開機與停機過程中沒有出現安全事故，節省了人力，降低了輸水成本，實現了泵房實時狀態監控和數據管理等功能，對整個引水工程的自動化管理起到了至關重要的作用。

　　參考文獻：

　　[1]鄧學讓.長距離泵站引供水工程試運行設計與實施應注意的幾個問題[J].水利規劃與設計，2010（3）:69-70

　　[2]肖順利.PLC在污水處理廠多臺泵中的應用[J].電氣時代，2007（7）:92-93

　　[3]吳志敏，陽勝峰.西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應用教程[M].中國電力出版社，2009:1-8

　　[4]廖常初.S7-200PLC編程及應用[M].機械工業出版社，2007:88-89，149-156

　　[5]陳銘.基于MODBUS協議的設備和PLC實現通信的研究[J].湖南科技學院學報，2009,30（4）:60-62

　　[6]SIMATICS7-200PLC手冊[M].西門子公司，2003.

　　[7]MT500使用手冊[M].威綸通科技有限公司，2008.

　　作者基本信息

　　姓名：李曉海

　　單位及職務：新疆大學電氣工程學院研究生

　　研究方向：現場總線及工業現場控制