摘要：為實(shí)現(xiàn)引水設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一套由S7-200PLC、觸摸屏、工控機(jī)組成的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用通用性較好的Modbus通信協(xié)議，無(wú)縫集成了不同廠家的硬件?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，這種典型的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制方案具有可靠性高、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制需求，降低了運(yùn)行成本，為新疆其它地區(qū)引水系統(tǒng)的控制提供了參考方案。

　　關(guān)鍵詞：引水工程，S7-200PLC，觸摸屏，Modbus

　　0 引言

　　在新疆的建設(shè)與發(fā)展中，水資源歷來(lái)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(xiàn)有的水資源一直是學(xué)者和專家研究的熱點(diǎn)。庫(kù)爾勒經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(kù)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(dòng)天山南坡經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展，但庫(kù)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(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)平衡的雙重考慮，于2009年初開始施工建設(shè)。

　　引水工程中的重點(diǎn)在水源附近的泵房，其功能是把水源中的水抽進(jìn)長(zhǎng)達(dá)6.02公里的混凝土管道，保證水順利到達(dá)開發(fā)區(qū)內(nèi)。取水點(diǎn)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(dòng)力要求，而且，泵房停機(jī)時(shí)的回水壓力巨大，如沒(méi)有科學(xué)的控制與管理系統(tǒng)，會(huì)造成管道損壞，威脅管理人員的人身安全[1][2]。本文通過(guò)目前先進(jìn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制方案，解決了上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧發(fā)展。

　　1 泵房的系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1 系統(tǒng)設(shè)備介紹

　　泵房的基本構(gòu)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(shí)，在水源的水進(jìn)入抽水系統(tǒng)前，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)濾池，去除水中存在的各種雜物，保證系統(tǒng)工作時(shí)的安全。

　　水泵所用電機(jī)功率為1250KW，額定電壓10KV，電機(jī)使用軟啟動(dòng)柜進(jìn)行分段啟動(dòng)；5個(gè)調(diào)節(jié)閥選用上海斯托克公司SK系列閥，驅(qū)動(dòng)電壓為380V或220V，控制信號(hào)與遠(yuǎn)程閥位的反饋信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)的4—20mA電流；出水閥前端各有一個(gè)起保護(hù)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(nèi)的壓力變化。

　　圖1泵房的系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.2 系統(tǒng)工作要求

　　針對(duì)第一條工作線路來(lái)說(shuō)，1#電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先調(diào)節(jié)1#進(jìn)水閥全開，1#出水閥全關(guān)，然后1#電機(jī)動(dòng)作，水泵隨電機(jī)啟動(dòng)開始工作，管道內(nèi)開始進(jìn)水，管道內(nèi)水壓增大，當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到水壓值達(dá)到0.65MPa時(shí)，1#出水閥開始打開，直至全開；1#電機(jī)停止時(shí)，1#電機(jī)首先停止工作，20秒延時(shí)后，1#出水閥開始關(guān)閉，直至全閉，1#出水閥完全關(guān)閉后，1#進(jìn)水閥開始關(guān)閉，直至全閉。2#電機(jī)的動(dòng)作條件和程序與1#電機(jī)相同，但需要注意的是，1#電機(jī)與2#電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間間隔為30分鐘，1#電機(jī)與2#電機(jī)停止的時(shí)間間隔為20分鐘，如果其中一臺(tái)電機(jī)單獨(dú)工作，可以隨時(shí)啟動(dòng)或停止。

　　2 泵房的控制系統(tǒng)搭建

　　泵房安全狀態(tài)受到設(shè)備工作情況的影響，選擇控制器的重點(diǎn)在于其工作的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)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(jī)控制，也可以進(jìn)行模塊的擴(kuò)展，屬于整體式結(jié)構(gòu)。它價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧、可靠性高、運(yùn)行速度快，有極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，具有很高的性價(jià)比。CPU選擇了224XPCN，該CPU集成有14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)；數(shù)字量擴(kuò)展模塊選擇了EM223，該模塊有8輸入/8輸出共16個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)；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(jī)界面選擇了兩種方式，一是工控計(jì)算機(jī)，二是觸摸屏。

　　整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

　　圖2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　PLC控制高壓軟啟動(dòng)柜，從而達(dá)到啟動(dòng)或停止電機(jī)的目的，同時(shí)把電機(jī)的狀態(tài)信息傳回至上位機(jī)和觸摸屏；安裝在管道上的壓力傳感器的信號(hào)和調(diào)節(jié)閥的閥位信號(hào)通過(guò)防干擾的信號(hào)隔離器，進(jìn)入EM235模塊，通過(guò)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(shè)計(jì)

　　3.1 控制流程圖

　　根據(jù)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(yǔ)言選擇了技術(shù)人員所熟知的LAD。PLC的CPU需要同時(shí)與觸摸屏和工控機(jī)通信，224XPCN型號(hào)的CPU恰好有2個(gè)485串口，Port1口與觸摸屏連接，Port0口采用Modbus的通信協(xié)議與工控機(jī)連接[4]。在工控機(jī)的人機(jī)界面中，沒(méi)有單獨(dú)的組態(tài)軟件對(duì)輸水的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，這些信息與泵房?jī)?nèi)的高低壓變電設(shè)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(lái)選擇通信協(xié)議，將其輸入值設(shè)定為“1”，表示CPU將Port0口定義為Modbus通信協(xié)議，并使能該協(xié)議；Addr用于設(shè)置站地址的值；Baud用于設(shè)置通信的波特率，可以設(shè)定為1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200共8個(gè)值，在此選擇9600；Parity用于設(shè)置校驗(yàn)，使Modbus的從站與主站相匹配；Delay用于設(shè)置延遲參數(shù)，由于本系統(tǒng)為有線網(wǎng)絡(luò)，所以設(shè)置該參數(shù)為典型值0；MaxIQ用于指定主設(shè)備可以使用的I/O點(diǎn)數(shù)；MaxAI指定了主設(shè)備可以使用的模擬量輸入字的個(gè)數(shù)；MaxHold指定了主設(shè)備可以訪問(wèn)的保持寄存器的最大個(gè)數(shù)；HoldSt～用于設(shè)置保持寄存器的起始地址[5]。當(dāng)MBUS_SLAVE指令對(duì)Modbus請(qǐng)求作出應(yīng)答時(shí)，“完成”輸出打開，如果沒(méi)有需要服務(wù)的請(qǐng)求時(shí)，“完成”輸出關(guān)閉。“錯(cuò)誤”輸出包含執(zhí)行該指令的結(jié)果，該輸出只有在"完成"打開時(shí)才有效，如果"完成"關(guān)閉，錯(cuò)誤參數(shù)不會(huì)改變[6]。

　　此外，由于泵房?jī)?nèi)的2條輸水線路工作順序相同，所以對(duì)其編寫了子程序，在主程序中分別調(diào)用，賦予不同的實(shí)參即可。這一優(yōu)點(diǎn)縮短了程序編寫的時(shí)間，同時(shí)增加了CPU的工作效率。

　　圖4Modbus初始化

      圖5MT500HMI界面

　　HMI設(shè)備選擇的是威綸通科技有限公司生產(chǎn)的MT500觸摸屏，它具有很高的性價(jià)比，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)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(jī)操作畫面、2#電機(jī)操作畫面、泄水閥的控制、報(bào)警畫面5個(gè)窗口[7]。圖5所示為1#電機(jī)操作畫面，有電機(jī)停止和啟動(dòng)的手動(dòng)按鈕，有電機(jī)的狀態(tài)指示，有管道工作壓力值，還有進(jìn)水閥與出水閥的控制按鈕和狀態(tài)指示，畫面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以容易的被工作人員理解。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　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(jīng)濟(jì)適用性兩個(gè)方面。自該引水工程竣工以來(lái)，運(yùn)行結(jié)果證明，泵房的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，開機(jī)與停機(jī)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)安全事故，節(jié)省了人力，降低了輸水成本，實(shí)現(xiàn)了泵房實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理等功能，對(duì)整個(gè)引水工程的自動(dòng)化管理起到了至關(guān)重要的作用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]鄧學(xué)讓.長(zhǎng)距離泵站引供水工程試運(yùn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2010（3）:69-70

　　[2]肖順利.PLC在污水處理廠多臺(tái)泵中的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2007（7）:92-93

　　[3]吳志敏，陽(yáng)勝峰.西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程[M].中國(guó)電力出版社，2009:1-8

　　[4]廖常初.S7-200PLC編程及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007:88-89，149-156

　　[5]陳銘.基于MODBUS協(xié)議的設(shè)備和PLC實(shí)現(xiàn)通信的研究[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,30（4）:60-62

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

　　[7]MT500使用手冊(cè)[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(wù)：新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院研究生

　　研究方向：現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制

　　郵箱：lixiaohai808@126.com

　　手機(jī)：15999118761

　　聯(lián)系地址：新疆烏魯木齊市天山區(qū)新疆大學(xué)南校區(qū)電氣工程學(xué)院2009級(jí)研究生

　　郵編：830047