新疆某引水工程的控制系統(tǒng)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(fā)展中，水資源歷來是最大的制約因素，在可持續(xù)發(fā)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(fā)區(qū)于2007年成立，規(guī)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(yè)崛起的脊梁，將帶動天山南坡經濟帶的發(fā)展，但庫爾勒氣候干旱，水資源匱乏成為開發(fā)區(qū)發(fā)展的瓶頸。新疆某引水工程正是出于對經濟發(fā)展和生態(tài)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(fā)區(qū)內。取水點與開發(fā)區(qū)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(tǒng)，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(yè)現場控制方案，解決了上述問題，實現了經濟與環(huán)境的和諧發(fā)展。

　　1 泵房的系統(tǒng)構成

　　1.1 系統(tǒng)設備介紹

　　泵房的基本構成如圖1所示，為了保證系統(tǒng)工作的工作效率和穩(wěn)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(tǒng)前，經過一個過濾池，去除水中存在的各種雜物，保證系統(tǒng)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(jié)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(jiān)視管道內的壓力變化。

圖1泵房的系統(tǒng)構成

　　1.2 系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)搭建

　　泵房安全狀態(tài)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(wěn)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(fā)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(tǒng)的結構如下圖所示。

圖2控制系統(tǒng)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(tài)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(jié)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(jiān)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(tài)軟件對輸水的設備進行監(jiān)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(fā)的監(jiān)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(tǒng)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(zhí)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(yōu)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(tài)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(tài)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(tài)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(tǒng)采用了目前典型的工業(yè)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(tǒng)運行穩(wěn)定，開機與停機過程中沒有出現安全事故，節(jié)省了人力，降低了輸水成本，實現了泵房實時狀態(tài)監(jiān)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(guī)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(yè)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(yè)現場控制