2014年似衰枚術(shù)與傳贏2014第2期Instrument Technique and基于S7-300PLC的循環(huán)水站控制系統(tǒng)梁宇峰,羅益民2,張媛媛(1.南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院江蘇南京21000;2特變電工新疆硅業(yè)有限公司,新疆烏魯木齊83000摘要:設(shè)計基于S7-300PC的循環(huán)水處理過程中的循環(huán)水泵站控制系統(tǒng),詳細介紹了供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理,簡要敘述了變頻風(fēng)機冷卻裝置的節(jié)能方法。并且根據(jù)工藝要求,對供水系統(tǒng)的控制方法進行了具體分析。針對供水系統(tǒng)存在的大遲滯和非線性,采用模糊PD控制算法控制系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力,從而實現(xiàn)恒壓供水的目的。該控制系統(tǒng)在實際項目的應(yīng)用中取得不錯的效果,而且運行穩(wěn)定,節(jié)能顯著。關(guān)鍵詞:S7-300PLC;恒壓供水;循環(huán)水泵;模糊PID中圖分類號:TP273文獻標識碼:A文章編號:1002-1841(2014)02-0054-0Energy-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, China2. TBEA Xinjiang Silicon Industry Co, Ltd, Urumqi 830000, China)Abstract: This paper designed the control system of pump station in circulating water treatment process is based on the S7300 PLC. It introduced the structure and working principle of the water supply system. and it designed the energy-saving methodssupply system control. Against to the large hysteresis and nonlinear of the system, it used Fuzzy Pid control algorithm to control its pipe 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 PID0引言當(dāng)變頻泵的頻率開到最大壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力傳送循環(huán)水站控制系統(tǒng)是目前在工業(yè)循環(huán)水應(yīng)用領(lǐng)域十分普給S7-300PLC,如果管網(wǎng)壓力值達不到給定的壓力值就控制遍的控制系統(tǒng),它包括恒壓供水和風(fēng)機冷卻2個部分。傳統(tǒng)的開啟工控水泵按照a、b、c的順序依次開啟。測量的數(shù)據(jù)送給供水系統(tǒng)資源浪費嚴重而且水質(zhì)容易污染,對循環(huán)水系統(tǒng)的DCS做監(jiān)控,S7-300PIC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(shè)備的腐蝕存在很大的威脅,已不能滿足循用 Modbus rtu協(xié)議通過SIEP的編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。每環(huán)水系統(tǒng)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(shè)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(fēng)機進行冷卻的報警。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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 PLCmpcs越來越激烈,這些傳統(tǒng)的方法都將遭到淘汰(。該系統(tǒng)的恒壓供水采用一臺變頻泵帶動多臺工控泵,引用變頻調(diào)速技術(shù),根據(jù)所檢測的壓力變化,通過S7-300PLC控壓力傳感器制變頻泵的轉(zhuǎn)速和水泵開啟的數(shù)量,同時可以進行自動和手動的切換,維持壓力的恒定,實現(xiàn)恒壓供水2。1循環(huán)水站控制系統(tǒng)綜合泵站11循環(huán)水站的恒壓供水系統(tǒng)循環(huán)總管1.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)吸水池循環(huán)水站的恒壓供水系統(tǒng)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(diào)中國煤化工速實現(xiàn)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CNMHG過S7-300PLC控制循環(huán)水的管網(wǎng)壓力實現(xiàn)水泵的自由切換,綜合泵站將生產(chǎn)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收稿日期:2013-03-12收修改稿日期:2013-10-10液位。另外PIC將安裝在循環(huán)總管管網(wǎng)末端的壓力傳感器所2期梁宇峰等:基于$7-300PLC的循環(huán)水站控制系統(tǒng)55檢測的管網(wǎng)壓力與預(yù)先設(shè)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(xiàn)對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控,包力差來控制變頻器的輸出。并且根據(jù)4臺循環(huán)水泵電動機的括對數(shù)據(jù)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(shè)計上限連鎖停機和報警,當(dāng)定子的統(tǒng)參數(shù)設(shè)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(wǎng)壓力模糊PID控制器設(shè)計制停止相應(yīng)的工作泵,從而有效保證水泵電機和現(xiàn)場環(huán)境的安在恒壓供水系統(tǒng)中,管網(wǎng)壓力是經(jīng)過加權(quán)后得到的,是全,延長水泵的使用壽命減少企業(yè)的經(jīng)濟損失個很重要的控制參數(shù),它的測量值決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定,因變頻器可以通過S-300PIC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(tǒng)中管網(wǎng)壓力制輸出,通過比例-微分-積分調(diào)節(jié),從而控制變頻泵d的轉(zhuǎn)是非線性的,擾動量大,采用傳統(tǒng)的PD控制效果不理想,而且速,調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力并保持恒定,實現(xiàn)恒壓供水和節(jié)能的目的。存在明顯的滯后現(xiàn)象。將模糊控制引入系統(tǒng)與PD控制相結(jié)1.2循環(huán)水站變頻冷卻控制合,設(shè)計針對系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的模糊PID控制器6循環(huán)水通過供水系統(tǒng)進入冷卻塔,進行冷卻控制。傳統(tǒng)的模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用偏差e和偏差的機械冷卻控制中的風(fēng)機都是一直工作在恒定轉(zhuǎn)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(fēng)機的使用壽命。該系統(tǒng)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?shù)?臺風(fēng)機全部采用變頻器控制通過控制循環(huán)水的溫度來調(diào)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(fēng)機的轉(zhuǎn)速和風(fēng)機的運行數(shù)量。設(shè)量化因子K為控制輸出量u的變化因子;X為壓力測量值,計溫度的閉環(huán)控制回路,當(dāng)溫度過高時,升高頻率提高風(fēng)機的為壓力的反饋值。轉(zhuǎn)速;反之降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。實現(xiàn)對風(fēng)機的合理利用,節(jié)約能源,保護環(huán)境。糊推理1.3報警設(shè)計系統(tǒng)中的循環(huán)水泵和風(fēng)機都設(shè)計了啟動和停止按鈕,通過D控制器管網(wǎng)末端壓力S7-300PLC編程軟件和組態(tài)軟件WINC對循環(huán)水泵和風(fēng)機壓力變送器的按鈕進行控制。當(dāng)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PC信號輸出大于4mA,圖2模糊PD控制器原理圖循環(huán)水泵和風(fēng)機無運行狀態(tài)標志,則顯示報警,啟動按鈕閃爍;在系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)下,輸入輸出量都有一個基本的變同樣當(dāng)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(wǎng)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(fēng)機有運行狀態(tài)標志則顯示報偏差e=x-y。分別設(shè)定偏差e的變化范圍是[-30,+301;: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(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)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(jù)公式可以得到的量化因子K=3/30系統(tǒng)采用S7-300PC作為下位機采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù),通過0.1,e0的量化因子Kn=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(xié)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,DC選用C-300控制器。PLC的中(NM)、負小(NS)零(20)、正小(F)、正中(PM)、正大(PB),央處理單元選用CPU-2DP,選用以太網(wǎng)模塊CP343-1進行上根據(jù)控制經(jīng)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e,ec和u均取三角形隸屬函數(shù),選用“ if e is a and ec is bA8×13Bt,模擬量輸出模塊選用A04×12Bit,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)7與風(fēng)機專用的MM40變頻器。管網(wǎng)壓力的測量精度要求較并根據(jù)現(xiàn)場管網(wǎng)壓力的控制經(jīng)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2.2軟件設(shè)計對應(yīng)的模糊關(guān)系R,并做相應(yīng)的調(diào)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 STEP7-V5.4,與STEP模糊PD算法在S7-300PLC中實現(xiàn)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立,示,首先將量化因子K,K和比例因子K的初始值依次存人結(jié)構(gòu)明了,簡單實用。在系統(tǒng)中通過使用梯形圖和結(jié)構(gòu)化編程數(shù)據(jù)塊DB1中;根據(jù)采樣時間計算e和e并存入DB1中;將模方法設(shè)計各個功能(FC),實現(xiàn)變頻泵的模糊PD控制、工控泵糊化后得到的自動與手動控制冷卻風(fēng)機的PID變頻控制及設(shè)定壓力的回的各個元素H中國煤化工次把模糊查詢表中CNMHOBDO-DB4. DBD195差控制。利用編程軟件STEP7-V54在相應(yīng)的組織塊中進行中同時通過將模糊論域[-3、-2、-10、12、3]轉(zhuǎn)化為[0排除故障的編程,解決PLC因故障停機的問題S。234556、7],可以為查詢過程提供極大的便利。最后根據(jù)算上位機監(jiān)控軟件采用 SMATIC WINCC組態(tài)軟件,該軟件具式并采用間接尋址方式查表,即得到模糊控制量U,在與比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(xiàn)模糊PID在PLC中的應(yīng)用開啟變頻泵d表1模糊查詢表給定壓力測、N量的壓力P2033222PID運算調(diào)節(jié)變頻泵2采樣時間2頻率x50HzNP壓力回差Y將輸入量和e存人D該控制器在系統(tǒng)的實際運行中取得較好的效果,減少了達開啟a泵到穩(wěn)態(tài)所需要的時間,有效地解決了管網(wǎng)壓力的非線性強和擾動大的缺點。實現(xiàn)恒壓供水的目的,節(jié)約能源。Y將超限值設(shè)為上限或下限恒壓供水的控制方法P<壓力回差2?系統(tǒng)的控制方法如圖4所示。若變頻器開到最大50Hz「將模啊化后的輸入量變頻泵d達到最大轉(zhuǎn)速,所測得的管網(wǎng)壓力達不到給定的要E,EC存入DB求,則自動啟動工控泵a9;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。反之按順序6-b來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(xiàn)時開時閉到實際輸出uP壓力回差3>N現(xiàn)象,后三臺工控泵在自動控制下進行回差控制,回差設(shè)定值利用d調(diào)節(jié)循環(huán)水泵開分為3個層次,回差設(shè)定1的壓力值要高于回差設(shè)定2的壓力開啟c泵值,回差設(shè)定2的壓力值要大于回差設(shè)定3的壓力值,分別對應(yīng)ab、c3臺水泵進行設(shè)定,保證它們依次減小。當(dāng)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(wǎng)壓力當(dāng)前值未達到回差1下限時則水泵a目前,該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于新疆某硅業(yè)公司,系統(tǒng)運行穩(wěn)定而且啟動;當(dāng)繼續(xù)調(diào)節(jié)變頻泵是頻率達到最大,且管網(wǎng)壓力當(dāng)前值效果顯著,基本達到預(yù)期節(jié)能、減排的目標未達到回差2下限時,水泵b啟動;當(dāng)在此調(diào)節(jié)變頻泵的頻率參考文獻:達到最大,且管網(wǎng)壓力當(dāng)前值仍未達到回差3下限時,水泵c[1朱敏基于PC的智能變頻恒壓供水系統(tǒng)20系統(tǒng)仿真技術(shù)及啟動。反之,當(dāng)變頻泵的頻率調(diào)到最小值,且管網(wǎng)壓力超過回其應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會論文集,2006差設(shè)定值上限時,按順序c、b、a,依次停止水泵的運行。自動控2] DENG C,LH,HANJ. 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(dǎo)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: 339-3使用,即在泵a啟動后定時24h交換壓力回差設(shè)定值1和2使3】蔡世軍趙新義,王堂瑩循環(huán)冷卻水節(jié)水技術(shù)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(shè)定值2和3,使處理,2009,29(3):4-8c開啟,24h后再交換壓力回差設(shè)定值3和1,通過循環(huán)交換壓[4]廖常初S7-300400PC應(yīng)用技術(shù)北京機械工業(yè)出版社,2008.[5]西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團西門子PLCS7-300力回差設(shè)定值實現(xiàn)水泵的循環(huán)使用模塊中文選型手冊,200由于系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)用陜西科技大學(xué)學(xué)報,2007,25(2):109-112循環(huán)水泵的交換時,必須延時1-2min,保證水泵完全啟動和[7]廉小親模糊控制技術(shù),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(xiàn)故障。[8]蔡小亮,羅益民孫峰,等基于PC和WINC的智能雙腔監(jiān)測換結(jié)束語熱器.化代表201037(2)81-83通過利用97-300PC和 WINCC對循環(huán)水站控制系統(tǒng)進9]吳肖甫,中國煤化工策略及其實現(xiàn)浙江行控制和組態(tài),提高了循環(huán)水泵和變頻風(fēng)機的使用壽命和工作大學(xué)學(xué)報CNMHG效率,而且節(jié)約電能降低成本。設(shè)計的模糊PD控制器應(yīng)用作者簡介:粱宇峰(190-),碩士,主要研究方向:工業(yè)生產(chǎn)過程控制系于管網(wǎng)壓力的控制,不僅提高了控制精度,而且極大地改善了統(tǒng)的設(shè)計與監(jiān)控,工業(yè)檢測儀表的設(shè)計與應(yīng)用恒壓供水系統(tǒng)的滯后問題,實現(xiàn)恒壓控制,節(jié)約大量的電能。E-mail:602139516@qg.com