西门子S7-200PLC在给排水控制系统中的应用

2015-11-01改造者于海波

中国科技信息 2015年9期

改造者：于海波

改造者：于海波

城市给排水系统中水泵电机的控制和稳定运行，是确保城市给排水安全可靠、节能经济高效稳定运行的重要保障性基础。本文就西门子可编程控制器在市政给排水系统中的应用进行分析与探讨，并提出了相关的技术优化。

水泵作为给排水工业中常用的设备，应用十分广泛，尤其是多台水泵组成的水泵组十分常见。水泵组或其他设备组的自动化循环控制非常普遍，但在实际应用中，有很多的控制方案都缺乏最优化的设计，无形中增加了设备的损耗，降低了效率。高能耗已成为城市给排水系统一大瓶颈，提高水泵电机的运行可靠性、调控平衡性能以及电能综合利用效率，对低碳绿色环保新社会中的节能降耗有着非常重要的作用。采用PLC和变频器对电机拖动系统进行技术升级改造，可以根据用户需求用水量的波动情况，实时动态调节水泵电机的输入电源频率来进行运行转速调节。

系统设计

图1　城市污水泵站工艺流程

现场泵站运作工艺流程

城市污水泵站的作用主要用于拦截废弃物及提升水位运送至污水处理厂，其工艺流程见图1所示。

现场泵站运行的主要控制设备为格栅机和潜水泵。工作人员在现场泵站主要负责采集格栅机及潜水泵的运行数据，如污水液位、流量，机器运行电流等，并负责对泵站设备进行自动化控制。水泵主控电路根据工艺要求，选择一台西门子S7-200中CPU226型PLC控制器，通过对压力变送器检测出的水位位置来控制变频器实现自动调速。主站根据集水池液位计算出当前水池储水量并根据各站水泵给水能力实时判断应开启一组或多组从站水泵，为保障水泵寿命，令水泵轮流给水，并根据管道的延迟，在所需液位到达前提前停泵，以使液位不致太高。实时判断从站水泵故障与通信故障，如出现故障则声响报警且动作联锁条件，停止对从站水泵的开泵条件。

泵站现场控制系统硬件组成

泵站现场控制主要PLC控制器、执行器及传感器组成。PLC控制器发出指令，对设备进行直接操作，如设备启停；当一台设备运行时间过长，可以手动切换，在设备出现故障，需要维修时或是遇到紧急情况时使用。执行器主要由阀门、变频器等构成，主要可以用来控制液位及水泵的开停等。传感器包括压力传感器、泵机电流检测器等组成，它们通过传感器或测量装置等完成对工艺、电气数据的采集以及设备控制。

PLC系统硬件选择

可编程控制器（PLC）以其结构紧凑、应用灵活、功能完善、操作方便、速度快、可靠性高、价格低等优点，已经越来越广泛地应用于自动化控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用，已成为与DCS并驾齐驱的主流工业控制系统。PLC以其显著的优点而广泛用于工业控制中，在实际应用中涉及的问题很多。在PLC选型时应遵循以下注意事项：

在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。

本系统选择西门子S7-200CUP226型号PLC并连接EM223和EM235模块。CPU226共有数字量输入24，数字量输出16。可连接7个扩展模块，共有2个RS-485接口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。EM223选择型号为型号：6ES7 223-1PH22-0XA0。共有数字量输8个和数字量输出8个。输入电压额定值：24V DC。功耗：3W。重量：200g。EM235共有模拟量输入4个和模拟量输出1个。输入类型：差分输入，功耗：2W。重量186g。

图2　变频器结构图

变频器介绍

变频器电路一般由整流器、中间直流环节、逆变和控制电路四个部分组成（如图2所示）。

考虑到系统的硬件兼容性和各个独立硬件的性能指标，本项目选择了德国西门子公司的通用型变频器MM420，能够充分的满足控制要求。

MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电压，额定功率11KW可供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

在变频调速控制系统中，水泵电机控制系统在从电网系统中获得频率为50Hz的交流电源后，就会通过PLC控制器发出对应命令，经变频器内部整流电路、滤波电流等相关电路转换成直流电源后，再经变频器控制单元的直流逆变电路转换成频率f和电压U均满足电机实时调控需要的交流电源，直接供给电机拖动系统中提供动力，经电机拖动系统转换输出所需的转矩，实现对水泵电机拖动系统的动态变频调节控制。对于水泵电机拖动系统而言，根据整个拖动系统用户需水量的动态波动变化，通过PLC控制器和变频器组成变频调速控制系统中的相关功能单元的动态调节，来优化水泵电机的实时调节运行的工况曲线，达到节能降耗动态调控的目的。

液位检测设计

当水泵启动后，压力变送器检测出4～20 mA 水位电流信号输送到S7-200PLC的模数转换器中进行模数转换，并判断确定水位处于先前建立的7 档水位中的哪一档位。这里程序设计采用了对输入模拟信号采集50个数据进行算术平均运算来判断水位准确的停留位置。水泵启动后，自动跳入某个水位时，程序设计采用了顺序功能图编程法（SFC）与梯形图法相结合的组态方式，对水位位置的选择确定设计了7个S21～S27 状态元件，根据不同水位的电流信号来判定变频器应变速到哪个频率上，从而达到自动调节输出水流量的目的。