基于S7-200 PLC水厂自控系统设计

唐忠华，金太东，卢世坤，刘 微，马跃强

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺 113001）

自来水对城市居民是至关重要的生活物质，自来水的质量直接影响到城市居民的身体健康、日常生活和工业生产等。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对自来水质量的要求越来越高。用户的用水经常随季节、昼夜和时间的变化而相差很大，对居民饮用水，不仅涉及供水水压和流量等问题，更重要的是要确保饮用水质量，比如水的浑浊度和水中余氯含量等都不能超标。针对上述问题，设计了该控制系统来提高自来水的质量。

1 水厂的工艺流程

原水经过取水泵房到稳压间，再到加药间投放碱、矾和氯进行消毒，后到净化间反应，沉淀和过滤，然后到清水池检测水的余氯、pH值和浊度等最后到送水泵房将水送给各市区。该传统工艺不能实现精确加药和恒压供水，不能及时准确的了解水的pH值，浊度和余氯等指标。

2 控制系统的总体结构

该控制系统主要由两部分组成：1）采用PID控制方法，形成一条闭合回路，余氯测试仪（Cl－500）采集余氯的值，通过（4～20 mA）模拟信号传给 PLC[1]，然后经 D/A和 D/Q转换后直接控制气动阀的开度，从而精确控制加氯的量。同时测得的pH值和浊度等通过RS－485传到上位机，便于对水的指标进行实时监测。2）模糊PID控制实现恒压供水。以S7－200作为控制系统的核心部件，结合模糊PID参数控制算法构成PLC数字调节器。PLC接收压力变送器（JPG3）的信号，PLC通过RS－485协议接口与变频器MM440进行通讯。通过PLC编程设定压力值，实际压力值通过压力变送器（4～20 mA）传给PLC，数字调节器根据实测值和设定值的差值输出调节量，发送给变频器命令，变频器控制水泵电机的转速，从而实现恒压供水。

由于总控制中心距水厂较远，采用GPRS无线模块将数据接受和发送给PC机，PC机通过报警模块将报警信息及时发送给不在现场和控制中心的管理者。控制系统结构如图1所示。

2.1 恒压供水模糊PID控制结构

模糊PID参数自整定控制是把压力误差e和压力误差变化率ec作为模糊PID控制器的输入，把3个PID作用系数Kp、Ki、Kd作为输出[2]。模糊控制器利用模糊控制规则在线对PID3个控制参数进行修改，便构成了恒压供水的自整定模糊PID控制器。其结构如图2所示。

图1 控制系统结构图Fig.1 Control system structure

图2 模糊PID控制系统结构Fig.2 Structure of fuzzy PID control system

2.2 模糊规则表的制定及实现

根据系统的实际情况，结合现场工作者操作规律及控制系统中不同误差情况下PID参数的调整方向规律，得到针对Kp、Ki、Kd3个参数的模糊控制调整表。由于3个表相似，只列出Kp的表。如表1所示。

表1 Kp的模糊规则Tab.1 Kpof the fuzzy rules

Kp、Ki、Kd的模糊规则表建立以后根据如下方法进行3个参数的自适应校正。

将系统误差e和误差变化率ec变化范围定为:e，ec={－5，－4，－3，－2，1，0，1，2，3，4，5}， 其模糊子集 e，ec={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大[3]。 设 e、ec 和 Kp、Ki、Kd均服从正态分布， 因此可得出各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理完成对PID参数的在线自校正。通过模糊推理修正后的PID参数Kp、Ki、Kd应用在普通的PID算法上，形成具有自适应模糊PID控制算法的恒压供水系统。

3 系统的硬件组成

本控制系统的硬件部分主要由下位机 （西门子S7－200及其扩展的模拟输入单元EM231、模拟输出单元EM232，GPRS模块（F2103 DTU））和上位机（PC机、紫金桥软件和短信报警模块（F1003 GSM））组成。

3.1 西门子S7-200

西门子S7－200是紧凑型可编程控制器。它能够满足各种设备的自动化控制需求。西门子S7－200的CPU222单元本体内置输入8点/输出6点，直流输入、继电器输出，交流供电。模拟量的输入模块EM231，4通道电流/电压输入。模拟量输出模块 EM232，2通道电流/电压输出。它具有功能强大的指令集，指令能容包括逻辑指令、计数器、定时器、复杂指令、字符串指令、时钟指令、以及和智能模块配合的专用指令等。具有丰富强大的通讯功能，提供近10种通讯方式以满足不同的应用需求。其中RS－485接口与上位机或者其他PLC进行连接，支持Profibus－DP和MPI通讯，还支持工业以太网通讯，支持多语言编程，具有丰富的指令系统。编程软件的易用性，为用户提供了开发，编辑和监控的良好编程环境。全中文界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面风格以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态[4]。

3.2 GPRS模块

无线数据终端GPRS（F2103 DTU）采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。高性能嵌入式处理器，主频100M，512kFlash。接口支持RS232/RS485串口。串口速率 110～230 400 bits/s。指示灯具有电源、通信及在线指示灯。天线接口是标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50 Ω。

3.3 短信报警模块

F1003 GSM MODEM基于2 G GSM网络，采用高性能工业级GSM无线模块，支持短信和CSD数据功能无线参数。支持EGSM900/GSM1800无线网络，支持DTMF，支持短信和CSD数据功能。无线参数，支持EGSM900/GSM1800无线网络；支持GPRS multi-slot class 10和 Compliant to GSM phase 2/2+；支持短信、CSD数据及拨号上网功能和标准AT命令集。

4 系统的软件设计

4.1 上位机组态软件

紫金桥监控组态软件6.1是紫金桥公司在长期的工程实践中逐步开发的一套计算机监控软件。具有丰富高效的数据采集手段，强大的数据库处理核心，可靠的冗余系统，丰富的IO驱动，逼真的图形系统，功能强大的脚本系统，报表系统，丰富的组件对象，Web发布和周密的安全管理系统，能连接多种设备如智能仪表、智能模块、复杂的PLC和DCS等。已经广泛应用于石化、炼油、汽车、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力、交通、智能楼宇、仓储、物流、水利等多个行业和领域的过程控制、管理监测、现场监视、远程监视、故障诊断、企业管理、资源计划等系统[5]。

将整个水厂工艺流程做成画面。首先设置了显示工艺参数窗口；然后分别设置了各个参数的在线值、设定值的显示窗口，用于显示参数的状态；最后设置了系统中用于手动、自动的切换按钮，用于完成现场阀、泵的手动和自动控制切换。设置了报警，将报警信息通过报警模块发送给不在现场和控制中心的管理者。设置了报表查询功能，查询每天、每月pH值、浊度、和余氯的含量以及任意时间段的累计流量。将pH值，余氯等重要参数绘制成曲线，记录发生异常时间等。

4.2 PLC与紫金桥软件通讯设置

先打开西门子梯形图软件V4.0 STEP7 MicroWIN SP6，点击左侧导航栏里的“通信”图标进入通信参数设置界面。双击“双击刷新”图标找到CPU222并确认，本地PLC的地址设为2，网络参数和传输速率按缺省设定，完成通信参数的设定。

紫金桥软件中设备驱动选择PLC，选择西门子S7-200（PPI），填写名称水厂，设备地址 2，连接方式串口，数据更新周期1 s，超时时间3 s。下一步，串口COM1，波特率设置11520，数据位8，奇偶校验无校验，停止位1，附加设施GPRS厂家选择厦门四信。GPRS名称水厂1，侦听端口5001，设备ID10000001。

4.3 主站与从站通讯设置

主站资金桥工程中点击公共选项，选择数据源，双击本地，弹出对话框，选择远程节点，主机IP地址为192.168.0.1，从机IP地址为192.168.0.3，点击高级选项，弹出对话框，更新方式选择周期查询，周期10 ms，超时时限60 s，故障恢复数据打勾，选择120 min，从站与主站设置相同，主站设置如图3所示。

图3 主站通讯设置Fig.3 Master communication settings

主机防火墙设置，双击控制面板中的防火墙，弹出对话框，点击例外，点击添加端口，名称5001，端口号1998，选择TCP。

4.4 GPRS配置

1）运行软件Four-Faith IP Modem Config Tool V1.17软件。工作状态切换到“配置状态”，选择PC机所工作的COM1口，波特率115200，无校验。串口线对IP MODEM和电脑进行连接，连接完成后对IP MODEM进行上电[6]。

2）开始对 IP MODEM中心服务器参数设置，IP地址192.168.0.1和端口号5001。

3）工作参数设置，工作模式PORT，激活方式AUTO，数据位8，奇偶校验无校验，停止位1，ID10000001。SIM卡号码的设置13612345678。

以上设置已基本完成简易的设置，其它项如无特别要求的可为默认，最后点击左下角的保存，同时在右边信息框中会提示设置成。

4.5 短信报警设置

紫金桥软件双击点组态，弹出对话框选择短信报警，点确定，点名为水厂短信报警，点击短信设置，双击添加人员，填写姓名李华和手机号13942386666。点击报警设置，类型选择按点名，添加报警变量，过滤条件选择低报和高报，点击添加报警按钮，确定，点击保存按钮。如图4所示。

图4 短信报警设置Fig.4 SMS alarm settings

4.6 下位机程序软件设计

PLC的软件程序用梯形图来编制，在STEP7 V4.0 SP6上实现。按照工艺流程顺序控制整个过程，其程序流程如图5所示。

5 结束语

利用先进PID和模糊PID控制技术对自来水的生产工艺进行自动控制和监控，提高了系统的智能化程度。结合水厂工艺流程，实现了节能降耗，取得了满意的控制效果。该自控系统已经成功应用于生产，并得到了自来水公司的好评。

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]张越，张炎，赵延军.基于单片机和模糊控制的水温自动控制系统[J].仪表技术与传感器，2007（4）:71－72.

ZHANG Yue，ZHANG Yan，ZHAO Yan-ping.Fuzzy control based on microcontrollerand temperature control system[J].Instrument Technique and Sensor.，2007 （4）:71－72.

[3]师黎，陈铁军.智能控制实验与综合设计指导[M].北京：清华大学出版社，2007.

[4]胡敏.深入浅出西门子S7－200 PLC[M].北京:航空航天大学出版社，2003.

[5]贾贵礼，吴尚庆.组态软件控制技术[M].北京:北京理工大学出版社，2007.

[6]韩冰，李芬华.GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用[J].电子技术， 2003（8）:26－29.

HAN Bing，LI Fen-hua.GPRS technology in data acquisition and control system applications[J].Electronics，2003（8）:26－29.