冷冻水供水自动控制系统设计

王 鹏 李东滨 王华林 董传友

（哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080）

随着科学技术的发展，电气控制技术在各个领域已得到越来越广泛的应用。可编程控制器（PLC）作为一项新技术正快速地改变着电气控制技术的面貌，在工业控制领域得到了十分广泛的应用[1]。组态软件是随着分布式控制系统及计算机技术的日趋成熟而发展起来的。随着计算机网络技术的发展，组态软件使得监控设备之间的互连变得更加简便，提高了自动化工程的工作效率，减少了维护和升级费用[2]。本文基于西门子公司S7-200系列PLC及北京亚控公司“组态王”组态软件,设计开发了中国第一汽车集团公司技术中心发动机实验室的冷冻水供水自动控制系统,实现了供水的自动化控制, 并能够根据用水量自动调节冷水设备的功率及开关情况。保证恒温、恒压供水：冷冻水出水温度控制精度为6±1℃，冷冻水供给到各个供水点时，温度的稳定性（温度变化）≤1℃（5min内温度的变化梯度）；冷冻水供给到各个供水点的压力为3～4ba（r最低供水压力点≥3 bar，最高供水压力点≤4bar）。

1 系统工艺简介

冷冻水供水设备位于技术中心院内的一个泵房内，平面布局图如图1所示。

图1 冷冻水供水设备平面图

发动机实验室使用过的高温废水经管道（图 1左侧管道）回流到泵房，经水处理器净化后，由一次定频水泵抽到冷水机组中冷却；冷却后的冷冻水经二次变频水泵抽到出水口（图1右侧管道），提供给发动机实验室使用。该系统实现了水的循环使用，节约了水资源。主要实现以下 6项功能：①5台一次定频水泵（用于给冷水机组提供进水）控制；②4台二次变频水泵（位于冷水机组出水口，给供水管路供水）控制，实现管路水压控制；③定压机组以及相应的电动阀门控制；④水温的监测与控制；⑤冷水机组运行状况的监测；⑥整个供水系统的中央集中监控。

2 硬件设计

2.1 控制系统网络结构

控制系统采用集散控制，如图2所示。由中央控制计算机（上位机）、PLC（下位机）、触摸屏、通讯网络及控制软件构成，该结构具有较高的可靠性及可维护性。

图2 控制系统网络结构

中央控制计算机协调整个控制系统正常运转，任务包括系统运行状况的监测、下位机工作参数的设定与修改、冷水机组运行状况的监测及机组运行参数的设定与修改、系统运行状况数据库及异地远程监控功能。下层PLC模块（下位机）共4台，在中央控制计算机的协调下工作，从而使冷冻水出水温度及压力在规定的范围内变化。其中，3台冷水机组均自带PLC模块，自动控制冷水机组的运行；系统综合控制柜中的PLC模块通过和中央控制计算机通信实现各参数的实时采集及下层设备的控制，同时还要和3台冷水机组的PLC模块进行通信，读取机组运行参数，并根据系统要求对机组进行控制。触摸屏为用户提供了手动操作及调试维护的界面。下层需监控的设备包括冷水机组 CW390一台、CW840两台、变频器两台、一次定频水泵（15kW）5台、二次变频水泵（22kW）4台、冷却水泵两台、全程水处理仪一台、定压机组一台、电动蝶阀门18个。需实时显示的参数有：供水及回水温度、供水及回水压力、供水流量、冷却水循环子系统出、回水温度、二次变频水泵及冷却水泵工作频率，以上参数由相应传感器及变频器反馈提供。

在网络中，中央控制计算机地址为 0，它除了承担控制整个系统自动运行等任务外，在设计调试期间还作为编程设备；人机界面的地址为 1，系统综合控制柜PLC地址为2，3台冷水机组控制PLC地址分别为3、4、5。网络的组态在STEP7中来完成，主要包括设置最高地址、通信速率等参数。在本系统网络中，为提高通信速度，设定的最高地址为15，通信速率设定为19.2 kbit/s。

2.2 PLC配置

根据系统设计要求，在最大限度地满足自动控制要求的前提下，为了使系统简单、经济、安全可靠，并考虑到今后工艺的改进，选择了西门子S7-200系列中的CPU 226及扩展模块EM223、 EM231、EM232。其中CPU 226一块，EM223三块，EM231两块，EM232一块。

CPU 226：CPU 226 AC/DC/RLY 为交流供电，直流数字量输入，数字量输出点是继电器触点，有24个输入点，16个输出点。其主要任务如下。

1）与远程监控计算机实时通信，将现场设备的状态及参数传递给计算机，接受远程监控计算机的命令并执行相应操作。

2）控制3个冷水机组，需与它们进行通信。

3）其他设备的控制：包括5台一次水泵、4台二次水泵、18个电动阀、2台变频器。

4）模拟量输入：包括出、回水压力，出、回水温度，出水流量等。

EM223 为数字量输入/输出扩展模块，它有 6种类型。本项目选用其中的16点24V DC输入/16点继电器输出。EM231是模拟量输入模块，4通道电流/电压输入。EM232是模拟量输出模块，2通道电流/电压输出。本项目使用的数字量及模拟量情况如表1所示。

表1 I/O点表

3 软件设计

3.1 PLC程序设计

PLC程序采用梯形图编写，在 Siemens公司的STEP7软件平台下完成。本系统采用模块化程序设计，将系统中相对独立的功能编程成模块，这样既增加了程序的可读性，又减少了编程重复部分的工作量。

1）系统控制流程

操作者只需在监控软件中选择自动控制方式，并按下运行按钮，整个供水自动控制系统的设备按图3所示的流程依次起动。运行过程中，系统会根据用进出口的水压差和温度差自动调节下层设备的开关及工作频率。停止过程与此相反。

图3 冷冻水供水设备平面图

2）供水压力的自动调节

由于发动机实验室对冷冻水的需求量并不是保持不变，所以要求系统能够在人不干预的情况下，自动检测并进行供水压力的调节。系统在一次定频水泵开启以后根据冷冻水总进水，回水管道上的水压差来控制变频水泵的开启频率和数量。其中变频调节因不同的工程需要，而不同。本项目中采用如下方式进行变频

式中，f为变频器输出；f0为基频；Tpv为温差过程值；Tsp为温差设定值；Psp为压力设定值；PPV为压力过程值；C1为温差调节系数；C2为压差调节系数；△t为调节周期。变频调节时，以2△t为时间间隔对温差过程值及压力过程值采样，当温差偏离设定值时按上述公式调节变频器输出；当压力小于设定值时，按以上公式调节变频器输出。调节过程中确保变频器输出值在基频（40Hz）到变频器最大输出（50Hz）之间，若按公式计算的结果低于基频，则按基频对待；若按公式计算的结果高于变频器最大输出，则按变频器最大输出对待。其控制流程如图4所示。

图4 二次变频泵调节流程图

3.2 远程监控软件设计

中央控制计算机通过运行所设计的远程监控软件[3]实现对供水自动控制系统的远程状态监视和自动控制，其功能主要包括：①监视现场设备的工作状态；②冷冻水集中供水的自动控制；③设备的手动操作与运行参数的设定；④运行参数、变化曲线的实时显示及历史数据记录、查询；⑤故障报警。远程监控软件主要由系统工艺总体画面（如图1所示）、手动操作控制画面、自动参数设定画面、历史趋势记录画面、报警汇总记录画面等五个部分组成。各画面间通过按钮可自由切换。

远程监控软件采用组态软件“组态王”开发。“组态王”是北京亚控公司生产的一款全中文组态软件，编程简单，使用方便，功能强大，具有较高的性价比。组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备（即下位机）。外部设备包括：PLC、仪表、板卡等，它们一般通过串行口和上位机交流数据。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据[4]。选用计算机的COM1经 MPI电缆与下层进行通信，该电缆带有RS232/485转换器，可实现RS232与RS485标准的转换。通信速率为19.2kbit/s，数据格式为8n1。

3.3 多主站通信程序设计

如图2所示，供水自动控制系统采用RS-485总线构建了两层的分布式控制系统，中央控制计算机是整个系统上层的控制中心。下层控制核心为CPU 226除了要与中央控制计算机实时通信完成数据采集及远程控制等功能外，还需要与3台冷水机组中的PLC进行通信，采集各机组工作状态参数并对它们进行控制。S7系列的PLC提供的网络读写指令帮助解决了这个难题。网络读指令NETR（Network Read）的作用为初始化通信操作，通过通信端口接收远程设备的数据并保存在表（TBL）中。网络写指令 NETW 的作用为初始化通信操作，通过指定的端口向远程设备写入表（TBL）中的数据[5]。

STEP7编程软件提供了网络读写指令向导来帮助用户生成网络读写程序。在本系统中，系统综合控制柜PLC需要与3台冷水机组分别通信读取每台机组压缩机能调阀状态，压缩机油位开关、高压开关、低压开关故障，排气压力传感器、出水温度传感器、吸气压力传感器，机组运行状态等14个开关量的状态，三通阀的开度，起动倒计时等两个参数的数值；并需要对每台机组开、停机温度，能调、出水温度，吸气、排气压力，系统及旁通阀开度等10个参数进行设定，远程本地选择，开机及复位按钮等3个开关进行控制。

4 结论

为了提高供水质量，保证充足的水量供应和稳定的水压,采用多台水泵构成恒压供水控制系统应用场合越来越多。因此开发可靠性高、控制性能好的恒压供水自动控制系统具有现实应用价值。本文所设计的供水自动控制系统虽为专门的客户开发，但具有一定的推广价值。该系统自2007年投入使用以来，运行稳定可靠，自动化程度高，使用方便，易于维护，用户反响较好。

[1]张万忠.可编程控制器入门与应用实例[M].北京:中国电力出版社,2004:1-5.

[2]倪旻.工业控制组态软件的产品对比及发展趋势[J].测控技术,2000,19(9):38-40.

[3]李东滨,王鹏,张开玉.基于组态王的供水自动控制系统远程监控软件设计[J].PLC & FA, 2009(10):77-79.

[4]任胜杰,周俊华.组态王在供水监控系统中的应用[J].电气时代,2003(9):64-65.

[5]廖常初. PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2005:141-143.