基于S7-200PLC与HMI的变频恒压供水实训平台的设计与实现

2018-08-31新疆生产建设兵团兴新职业技术学院刘丽芳邵志刚

电子世界 2018年16期

新疆生产建设兵团兴新职业技术学院刘丽芳邵志刚

供水系统一直以来都是国民生产和生活中重要的基础设施。在以往的供水系统中，水泵在工频下运行，因为用水量的不稳定，所以会造成供水管道压力变化较大，从而会造成设备的损害，水源的浪费。由此可见，人们对供水系统的稳定性、控制性等方面有了更高的标准。不仅要保证供水质量，还要对供水系统进行实时监控，以保证系统的安全可靠[2]。

鉴于此，本文以PLC、变频器为主要控制器，并与HMI组态控制相结合的形式，设计、调试和安装了一套恒压供水系统，该系统不仅能够可以在人机界面上设定压力、PID控制器等参数，还可以将项目引领法引入教学环节，解决教学手段单一、学生学习与实际脱轨、以及学生动手操作少的问题。经过该实训项目的学习，可以完成以下知识与技能目标：进一步加深理解相关理论知识，掌握基本相关编程指令的使用方法；独立完成一个电气控制系统的设计、安装与调试，提高学生的理论水平和实际动手能力。

1 恒压供水系统结构

本文所设计和安装的系统以PLC为核心，以自动控制原理为理论基础完成系统的总体设计。系统运行时，当压力传感器检测标准电流信号并传送到PLC中，PLC将此电流信号与其内部预先设定好的初值进行比较，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，把信号传送给变频器的模拟量调节控制端。变频器根据送来的电流值的大小，产生一个与之对应的控制水泵速度的频率值，使水泵的供电频率发生改变，从而改变水泵的转速，使向水管供水的压力大小发生变化，使水管中的实际水压值恢复到预先设定好的值上。系统结构如图1所示。

图1 恒压供水系统结构图

该系统由PLC、变频器、触摸屏、压力传感器、水泵机组等组成，由触摸屏作为上位机，PLC作为下位机。

2 恒压供水系统硬件设计

在系统硬件方面，采用变频器控制水泵机组运行设计，通过程序设计实现系统恒压供水，该系统的启动和停止操作不仅可以通过现场的按钮开关控制，也可通过触摸屏来进行远程操控。系统原理图如图2所示。

图2 系统原理图

（1）PLC的选择

PLC选用西门子S7-200CN(CPU224XP)PLC，在实际系统的设计和应用中，根据系统设计需要，在触摸屏进行供水压力设定和PID控制参数的调节，实现系统供水压力恒定。

（2）触摸屏的选择

触摸屏的选择在恒压供水系统中的设计是很重要的，系统中所有的控制指令都将通过触摸屏来完成。本设计采用西门子IE SMART700触摸屏完成人机交互数据传输，通过对触摸屏界面上的指示灯以及数据的观察，可以实现时时的对控制设备和控制对象监视和监控的目的[3]。

（3）变频器的选择

变频器在恒压供水系统中是不可或缺的系统硬件，在实际应用中只有变频器选择能够满足系统基本功能的应用，才能很好并有效的实现变频恒压供水的目的。本设计采用三菱FR—D720S-0.4K变频器，通过对变频器对水泵的控制，执行相应的动作，实现系统的恒压供水。

3 恒压供水系统软件设计

（1）PLC程序设计

本设计采用西门子S7-200CPU24XP型PLC完成系统整体程序设计，程序主要由主程序和子程序两部分组成。主程序主要用来调用两个子程序；子程序1的作用主要是进行模拟量信号的采集（本设计主要针对压力传感器信号的采集）；子程序2的作用主要是对整个系统进行控制同时完成对系统PID的调节。

PLC主程序如图3所示：

图3 系统主程序

PLC子程序1和子程序2的程序如图4和图5所示：

图4 系统子程序1

图5 系统子程序2

（2）触摸屏监控软件的设计

本系统触摸屏组态结构主要由欢迎界面、设备使用说明界面和系统控制界面三部分组成。

欢迎界面如图6所示。用户通过登录后进入“欢迎界面”，在这个界面上主要是说明该系统的名称、设计调试人员以及单位名称，按下界面上的“Welcome”按钮可以进入到“系统简介”界面，如图7所示。该界面主要是对该系统所能实现的功能做介绍，目的是让使用者对系统所具有的的功能有初步的认识和了解，按下此界面上的“设备控制”按钮，自动接入到“设备控制”界面，如图8所示。