2014年僅技術與傳番2014第2期基于S7-300PLC的循環(huán)水站控制系統梁宇峰,羅益民2,張媛媛2(1南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院江蘇南京210092.特變電工新疆硅業(yè)有限公司新疆烏魯木齊830000摘要:設計基于S-300PC的循環(huán)水處理過程中的循環(huán)水泵站控制系統,詳細介紹了供水系統的結構和工作原理,簡要敘述了變頻風機冷卻裝置的節(jié)能方法。并且根據工藝要求,對供水系統的控制方法進行了具體分析。針對供水系統存在的大遲滯和非線性,采用模糊PD控制算法控制系統的管網壓力,從而實現恒壓供水的目的。該控制系統在實際項目的應用中取得不錯的效果,而且運行穩(wěn)定,節(jié)能顯著。關鍵詞:S7-300PLC;恒壓供水;循環(huán)水泵;模糊PD中圖分類號:TP73文獻標識碼:A文章編號:1002-1841(2014)02-0054-03Energy-saving Control System of Circulating Water StationBased on S7-300 PLCLIANG Yu-feng, LUo Yi-min, ZHANG Yuan-yuan(1. School of Automation and Electrical Engineering Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China;2. TBEA Xinjiang Silicon Industry Co ., Ltd, Urumqi 830000, China)Po Abstract: This paper designed the control system of pump station in circulating water treatment process is based on the S7PLC. It introduced the structure and working principle of the water supply system. and it designed the energy-saving methodsof the frequency conversion fan cooling device. And according to process requirement, designed the concrete method to the watersupply system control Against to the large hysteresis and nonlinear of the system, it used Fuzzy Pid control algorithm to control itpipe network pressure, in order to achieve the purpose of the constant pressure water supply. The system has obtained good resultsin the application of the actual project. And stable operation, significant energy savingKey words: S7-300 PLC; Constant Pressure Water Supply; circulating pump; Fuzzy PID引言當變頻泵的頻率開到最大壓力變送器將測得的管網壓力傳送循環(huán)水站控制系統是目前在工業(yè)循環(huán)水應用領域十分普給S7-300PIC,如果管網壓力值達不到給定的壓力值就控制遍的控制系統,它包括恒壓供水和風機冷卻2個部分。傳統的開啟工控水泵按照abc的順序依次開啟。測量的數據送給供水系統資源浪費嚴重而且水質容易污染,對循環(huán)水系統的DCS做監(jiān)控,7-300PC與DCS之間要做主從站的通訊,采穩(wěn)定和工業(yè)循環(huán)水設備的腐蝕存在很大的威脅,已不能滿足循用 Modbus rtu協議,通過STEP的編程實現數據的傳輸。每環(huán)水系統的需求了。過去的循環(huán)水冷卻方法一般都是采用與臺循環(huán)水泵通過S7-300PLC設計報警功能并在組態(tài)上顯示空氣直接接觸的自然冷卻方法,或者采用機械風機進行冷卻的報警。系統的結構圖如圖1所示。方式,但對資源的浪費都很巨大。隨著目前工業(yè)對資源的競爭S7-300 PLC越來越激烈這些傳統的方法都將遭到淘汰。該系統的恒壓供水采用一臺變頻泵帶動多臺工控泵,引用報置[器變頻調速技術根據所檢測的壓力變化,通過S7-300PC控壓力傳感器制變頻泵的轉速和水泵開啟的數量,同時可以進行自動和手動的切換,維持壓力的恒定,實現恒壓供水2)。循環(huán)水站控制系統綜合泵站1.1循環(huán)水站的恒壓供水系統循環(huán)總管1.1.1系統結構吸水池循環(huán)水站的恒壓供水系統是由1臺變頻器和4臺水泵(ab,c,d)組成,其中水泵d為變頻泵,可以通過變頻器的變頻調圖1系統結構速實現水泵的變頻控制,另外3臺水泵(a,b,c)為工控水泵,通1.1.2工作原理過S7-300PLC控制循環(huán)水的管網壓力實現水泵的自由切換,綜合泵站將生產用水送入吸水池,作為循環(huán)用水的來源而且通過S7-300PC控制閥門的開度大小來控制吸水池的第2期梁宇峰等:基于S7-300PLC的循環(huán)水站控制系統檢測的管網壓力與預先設定的壓力值進行比較通過得出的壓有很強大的實用功能可以實現對整個系統進行實時監(jiān)控包力差來控制變頻器的輸出。并且根據4臺循環(huán)水泵電動機的括對數據進行采集、生成報表、歷史與實時曲線、報警記錄、系定子溫度和軸承溫度值,設計上限連鎖停機和報警,當定子的統參數設置和修改等功能。溫度超過145℃,軸承溫度超過90℃,二者滿足其一時,就強2.2.2管網壓力模糊PID控制器設計制停止相應的工作泵,從而有效保證水泵電機和現場環(huán)境的安在恒壓供水系統中,管網壓力是經過加權后得到的,是一全,延長水泵的使用壽命減少企業(yè)的經濟損失。個很重要的控制參數,它的測量值決定著整個系統的穩(wěn)定,因變頻器可以通過S7-300PLC的模糊PID控制算法來控此對于控制精度和實時性要求比較高。由于系統中管網壓力制輸出,通過比例-微分-積分調節(jié),從而控制變頻泵d的轉是非線性的擾動量大,采用傳統的PD控制效果不理想而且速,調節(jié)管網的壓力并保持恒定,實現恒壓供水和節(jié)能的目的。存在明顯的滯后現象。將模糊控制引入系統與PD控制相結1.2循環(huán)水站變頻冷卻控制合,設計針對系統管網壓力的模糊PID控制器°循環(huán)水通過供水系統進入冷卻塔,進行冷卻控制。傳統的模糊PD控制器的結構如圖2所示,采用偏差e和偏差的機械冷卻控制中的風機都是一直工作在恒定轉速下的,這樣不變化率e作為輸入信號的二維模糊控制。其中E和EC分別僅浪費了大量的電能而且降低了風機的使用壽命。該系統為e和e的模糊化后模糊量;u和U分別為模糊控制的模糊輸的7臺風機全部采用變頻器控制,通過控制循環(huán)水的溫度來調出和實際輸出;K,為偏差e的量化因子,K。為偏差變化率ec的節(jié)變頻器的頻率,從而控制風機的轉速和風機的運行數量。設量化因子,K為控制輸出量u的變化因子;X為壓力測量值,y計溫度的閉環(huán)控制回路當溫度過高時,升高頻率提高風機的為壓力的反饋值。轉速;反之降低風機的轉速。實現對風機的合理利用,節(jié)約能K源,保護環(huán)境1.3報瞢設計系統中的循環(huán)水泵和風機都設計了啟動和停止按鈕,通過PID控制器管網末端壓力S7-300PLC編程軟件和組態(tài)軟件WNCC對循環(huán)水泵和風機壓力變送器的按鈕進行控制。當啟動按鈕為亮綠色,延時5s后變?yōu)榘稻G色,此時停止按鈕變?yōu)楸旧珪r,如果PIC信號輸出大于4mA,圖2模糊PID控制器原理圖循環(huán)水泵和風機無運行狀態(tài)標志,則顯示報警,啟動按鈕閃爍;在系統的正常工作狀態(tài)下輸人輸出量都有一個基本的變同樣當停止按鈕為亮綠延時5s后變?yōu)榘稻G同時啟動按鈕按化范圍管網壓力給定值X=500kPa,實際測量的反饋壓力Y,變?yōu)楸旧珪r,如果循環(huán)水泵和風機有運行狀態(tài)標志,則顯示報偏差e=x-y。分別設定偏差e的變化范圍是[-30,+30];偏警停止按鈕閃爍差變化率e的變化范圍是[-6,+6];控制輸出量u的變化范2控制系統的硬件配置和軟件設計圍是[-9,+9],模糊變量E、EC、U的模糊論域都取為{-3,2.1硬件配置2,-1,0,1,2,3},則根據公式可以得到的量化因子K=3/30=系統采用S7-300PLC作為下位機采集現場的數據,通過0.1,e的量化因子Ka=3/6=0.5,u的比例因子K。=9/3=3串口通訊模塊的 Modbus rtu從站協議與DCS主站通訊,選用將E、EC、和U的語言值都取7檔,分別為負大(NB)、負中CP40作為串口通訊模塊DCS選用C-300控制器。PLC的中(M)、負小(NS)零(20)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)央處理單元選用CPU-2DP,選用以太網模塊CP343-1進行上根據控制經驗得到語言變量的賦值表下位機的通訊,電源模塊選用PS3075A,模擬量輸入模塊選用eec和a均取三角形隸屬函數,選用“ if e is a and ec is bA8×13Bit,模擬量輸出模塊選用A04×12Bi變頻器選用水泵 then u is c"(其中a、b、c均為輸出輸入語言變量中的元素)與風機專用的MM4變頻器。管網壓力的測量精度要求較并根據現場管網壓力的控制經驗和控制要求得出控制規(guī)則表高選用某品牌的壓力變送器。利用得到的語言變量賦值表和控制規(guī)則表,由模糊推理法求出22軟件設計對應的模糊關系R,并做相應的調整,最后得出模糊控制查詢2.2.1編程和監(jiān)控軟件的開發(fā)表,如表1所示。下位機編程軟件采用 SMATIC STEP-V54,與STEP模糊PID算法在S7-300PLC中實現的流程圖如圖3所MicroWIN相比,它的編程更加簡潔各個功能塊之間相互獨示,首先將量化因子K,K和比例因子K的初始值依次存入結構明了,簡單實用。在系統中通過使用梯形圖和結構化編程數據塊DB1中;根據采樣時間計算e和e并存人DBl中;將模方法設計各個功能(FC),實現變頻泵的模糊PD控制、工控泵糊化后得到的E和EC也存人DB1中。其次,把模糊查詢表中的自動與手動控制冷卻風機的PD變頻控制及設定壓力的回的各個元素按從上到下依次放入DB4.DBDO-DB4.DBD195差控制。利用編程軟件STEP7-v54在相應的組織塊中進行中,同時通過將模糊論域[-3、-2、-1、0、1、2、3]轉化為0、1排除故障的編程,解決PLC因故障停機的問題。234567],可以為查詢過程提供極大的便利。最后根據算Instrument Technique and SensorFeb.2014例因子K相乘去模糊化,得到實際輸出量u最終通過將u送開始)給PID控制器來對變頻泵的頻率進行控制,從而實現模糊PID在PLC中的應用開啟變頻泵d表1模糊查詢表給定壓力測量的壓力P0「PD運算調節(jié)變頻泵2采樣時間0頻率>0f壓力回差將輸入量和ec存人該控制器在系統的實際運行中取得較好的效果,減少了達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間,有效地解決了管網壓力的非線性強和擾開啟a泵動大的缺點。實現恒壓供水的目的,節(jié)約能源。e和ec超將超限值設為上限成下限3恒壓供水的控制方法P<壓力回差2?系統的控制方法如圖4所示。若變頻器開到最大50Hz,將模糊化后的輸入量變頻泵d達到最大轉速,所測得的管網壓力達不到給定的要E,EC存入DB1求則自動啟動工控泵a;若壓力還達不到要求,則啟動泵b開啟b泵最后總管壓力還達不到要求,則啟動工控泵c,反之按順序c-b模糊查詢表得出U-a依次停泵。與比例因子相乘,得為了保證循環(huán)水泵能夠正常運行,避免水泵出現時開時閉到實際輸出uP壓力回差3N現象,后三臺工控泵在自動控制下進行回差控制,回差設定值利用d調節(jié)循環(huán)水泵開分為3個層次,回差設定1的壓力值要高于回差設定2的壓力開啟c值,回差設定2的壓力值要大于回差設定3的壓力值,分別對應ab、c3臺水泵進行設定,保證它們依次減小。當變頻泵頻圖3模糊PD在PLC中的流程圖圖4循環(huán)水泵控制流程圖率達到最大且管網壓力當前值未達到回差1下限時則水泵a目前,該系統已經應用于新疆某硅業(yè)公司,系統運行穩(wěn)定而且啟動;當繼續(xù)調節(jié)變頻泵是頻率達到最大,且管網壓力當前值效果顯著,基本達到預期節(jié)能、減排的目標。未達到回差2下限時,水泵b啟動;當在此調節(jié)變頻泵的頻率參考文獻達到最大,且管網壓力當前值仍未達到回差3下限時,水泵c[1]朱敏基于PLC的智能變頻恒壓供水系統2006系統仿真技術及啟動。反之,當變頻泵的頻率調到最小值,且管網壓力超過回其應用學術交流會論文集,2006差設定值上限時按順序cb、a,依次停止水泵的運行。自動控2] DENG C,LH, HAN J. Water supply system of constant pressure制時,為了防止壓力已達到要求后,部分水泵可能會一直不參based on PLC control. Recent Advances in Computer Science and In與工作,而導致生銹損壞,因此對a-c三臺水泵進行循環(huán)控制formation Engineering, 2012, 192: 339-34使用,即在泵a啟動后定時4h交換壓力回差設定值1和2使31蔡世軍,趙新義,王堂瑩循環(huán)冷卻水節(jié)水技術研究進展工業(yè)水水泵循環(huán)到b,b運行24h候再交換壓力回差設定值2和3,使處理,2009,29(3):4-8.c開啟,24h后再交換壓力回差設定值3和1,通過循環(huán)交換壓4]察常初S7-x0400PC應用技術北京機械工業(yè)出版社,x08力回差設定值實現水泵的循環(huán)使用[5]西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團西門子PLCS7-300模塊中文選型手冊,2003.由于系統中要求使用的循環(huán)水泵的電壓達到1000V,電壓[6]謝仕宏朱曉聰姜麗波模糊PD控制算法在恒壓供水系統中的很高,容易造成循環(huán)水泵電機的損壞,因此在自動控制下,進行應用陜西科技大學學報,2007,25(2):109-112循環(huán)水泵的交換時,必須延時1-2mn,保證水泵完全啟動和[7]廉小親模糊控制技術北京:中國電力出版社,200停止,再進行交換,避免循環(huán)水泵出現故障。[8]蔡小亮羅益民孫峰等基于PC和 WINCC的智能雙腔監(jiān)測換結束語熱器.化工自動化及儀表,2010,37(2):81-83.通過利用S7-30PLC和WNC對循環(huán)水站控制系統進[9]吳肖甫王曉海,祁才君恒壓供水系統控制策略及其實現浙江行控制和組態(tài),提高了循環(huán)水泵和變頻風機的使用壽命和工作大學學報,2002,29(6):652-65效率而且節(jié)約電能降低成本。設計的模糊PD控制器應用作者簡介:梁宇峰(190-),碩士,主要研究方向:工業(yè)生產過程控制系于管網壓力的控制,不僅提高了控制精度,而且極大地改善了統的設計與監(jiān)控,工業(yè)檢測儀表的設計與應用E-mail:602139516@gg.com