基于S7-200 PLC水廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐忠華，金太東，盧世坤，劉 微，馬躍強(qiáng)

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

自來水對(duì)城市居民是至關(guān)重要的生活物質(zhì)，自來水的質(zhì)量直接影響到城市居民的身體健康、日常生活和工業(yè)生產(chǎn)等。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)自來水質(zhì)量的要求越來越高。用戶的用水經(jīng)常隨季節(jié)、晝夜和時(shí)間的變化而相差很大，對(duì)居民飲用水，不僅涉及供水水壓和流量等問題，更重要的是要確保飲用水質(zhì)量，比如水的渾濁度和水中余氯含量等都不能超標(biāo)。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)來提高自來水的質(zhì)量。

1 水廠的工藝流程

原水經(jīng)過取水泵房到穩(wěn)壓間，再到加藥間投放堿、礬和氯進(jìn)行消毒，后到凈化間反應(yīng)，沉淀和過濾，然后到清水池檢測(cè)水的余氯、pH值和濁度等最后到送水泵房將水送給各市區(qū)。該傳統(tǒng)工藝不能實(shí)現(xiàn)精確加藥和恒壓供水，不能及時(shí)準(zhǔn)確的了解水的pH值，濁度和余氯等指標(biāo)。

2 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)主要由兩部分組成：1）采用PID控制方法，形成一條閉合回路，余氯測(cè)試儀（Cl－500）采集余氯的值，通過（4～20 mA）模擬信號(hào)傳給 PLC[1]，然后經(jīng) D/A和 D/Q轉(zhuǎn)換后直接控制氣動(dòng)閥的開度，從而精確控制加氯的量。同時(shí)測(cè)得的pH值和濁度等通過RS－485傳到上位機(jī)，便于對(duì)水的指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2）模糊PID控制實(shí)現(xiàn)恒壓供水。以S7－200作為控制系統(tǒng)的核心部件，結(jié)合模糊PID參數(shù)控制算法構(gòu)成PLC數(shù)字調(diào)節(jié)器。PLC接收壓力變送器（JPG3）的信號(hào)，PLC通過RS－485協(xié)議接口與變頻器MM440進(jìn)行通訊。通過PLC編程設(shè)定壓力值，實(shí)際壓力值通過壓力變送器（4～20 mA）傳給PLC，數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)測(cè)值和設(shè)定值的差值輸出調(diào)節(jié)量，發(fā)送給變頻器命令，變頻器控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

由于總控制中心距水廠較遠(yuǎn)，采用GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)接受和發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)通過報(bào)警模塊將報(bào)警信息及時(shí)發(fā)送給不在現(xiàn)場(chǎng)和控制中心的管理者。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 恒壓供水模糊PID控制結(jié)構(gòu)

模糊PID參數(shù)自整定控制是把壓力誤差e和壓力誤差變化率ec作為模糊PID控制器的輸入，把3個(gè)PID作用系數(shù)Kp、Ki、Kd作為輸出[2]。模糊控制器利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID3個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了恒壓供水的自整定模糊PID控制器。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system structure

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fuzzy PID control system

2.2 模糊規(guī)則表的制定及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作者操作規(guī)律及控制系統(tǒng)中不同誤差情況下PID參數(shù)的調(diào)整方向規(guī)律，得到針對(duì)Kp、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)的模糊控制調(diào)整表。由于3個(gè)表相似，只列出Kp的表。如表1所示。

表1 Kp的模糊規(guī)則Tab.1 Kpof the fuzzy rules

Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表建立以后根據(jù)如下方法進(jìn)行3個(gè)參數(shù)的自適應(yīng)校正。

將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定為: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}，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大[3]。 設(shè) e、ec 和 Kp、Ki、Kd均服從正態(tài)分布， 因此可得出各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正。通過模糊推理修正后的PID參數(shù)Kp、Ki、Kd應(yīng)用在普通的PID算法上，形成具有自適應(yīng)模糊PID控制算法的恒壓供水系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的硬件組成

本控制系統(tǒng)的硬件部分主要由下位機(jī) （西門子S7－200及其擴(kuò)展的模擬輸入單元EM231、模擬輸出單元EM232，GPRS模塊（F2103 DTU））和上位機(jī)（PC機(jī)、紫金橋軟件和短信報(bào)警模塊（F1003 GSM））組成。

3.1 西門子S7-200

西門子S7－200是緊湊型可編程控制器。它能夠滿足各種設(shè)備的自動(dòng)化控制需求。西門子S7－200的CPU222單元本體內(nèi)置輸入8點(diǎn)/輸出6點(diǎn)，直流輸入、繼電器輸出，交流供電。模擬量的輸入模塊EM231，4通道電流/電壓輸入。模擬量輸出模塊 EM232，2通道電流/電壓輸出。它具有功能強(qiáng)大的指令集，指令能容包括邏輯指令、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜指令、字符串指令、時(shí)鐘指令、以及和智能模塊配合的專用指令等。具有豐富強(qiáng)大的通訊功能，提供近10種通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求。其中RS－485接口與上位機(jī)或者其他PLC進(jìn)行連接，支持Profibus－DP和MPI通訊，還支持工業(yè)以太網(wǎng)通訊，支持多語言編程，具有豐富的指令系統(tǒng)。編程軟件的易用性，為用戶提供了開發(fā)，編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境。全中文界面、中文的在線幫助信息、Windows的界面風(fēng)格以及豐富的編程向?qū)В苁褂脩艨焖龠M(jìn)入狀態(tài)[4]。

3.2 GPRS模塊

無線數(shù)據(jù)終端GPRS（F2103 DTU）采用高性能嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，內(nèi)嵌自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。高性能嵌入式處理器，主頻100M，512kFlash。接口支持RS232/RS485串口。串口速率 110～230 400 bits/s。指示燈具有電源、通信及在線指示燈。天線接口是標(biāo)準(zhǔn)SMA陰頭天線接口，特性阻抗50 Ω。

3.3 短信報(bào)警模塊

F1003 GSM MODEM基于2 G GSM網(wǎng)絡(luò)，采用高性能工業(yè)級(jí)GSM無線模塊，支持短信和CSD數(shù)據(jù)功能無線參數(shù)。支持EGSM900/GSM1800無線網(wǎng)絡(luò)，支持DTMF，支持短信和CSD數(shù)據(jù)功能。無線參數(shù)，支持EGSM900/GSM1800無線網(wǎng)絡(luò)；支持GPRS multi-slot class 10和 Compliant to GSM phase 2/2+；支持短信、CSD數(shù)據(jù)及撥號(hào)上網(wǎng)功能和標(biāo)準(zhǔn)AT命令集。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)組態(tài)軟件

紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件6.1是紫金橋公司在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中逐步開發(fā)的一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件。具有豐富高效的數(shù)據(jù)采集手段，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫處理核心，可靠的冗余系統(tǒng)，豐富的IO驅(qū)動(dòng)，逼真的圖形系統(tǒng)，功能強(qiáng)大的腳本系統(tǒng)，報(bào)表系統(tǒng)，豐富的組件對(duì)象，Web發(fā)布和周密的安全管理系統(tǒng)，能連接多種設(shè)備如智能儀表、智能模塊、復(fù)雜的PLC和DCS等。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石化、煉油、汽車、化工、冶金、制藥、建材、輕工、造紙、采礦、環(huán)保、電力、交通、智能樓宇、倉儲(chǔ)、物流、水利等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的過程控制、管理監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視、遠(yuǎn)程監(jiān)視、故障診斷、企業(yè)管理、資源計(jì)劃等系統(tǒng)[5]。

將整個(gè)水廠工藝流程做成畫面。首先設(shè)置了顯示工藝參數(shù)窗口；然后分別設(shè)置了各個(gè)參數(shù)的在線值、設(shè)定值的顯示窗口，用于顯示參數(shù)的狀態(tài)；最后設(shè)置了系統(tǒng)中用于手動(dòng)、自動(dòng)的切換按鈕，用于完成現(xiàn)場(chǎng)閥、泵的手動(dòng)和自動(dòng)控制切換。設(shè)置了報(bào)警，將報(bào)警信息通過報(bào)警模塊發(fā)送給不在現(xiàn)場(chǎng)和控制中心的管理者。設(shè)置了報(bào)表查詢功能，查詢每天、每月pH值、濁度、和余氯的含量以及任意時(shí)間段的累計(jì)流量。將pH值，余氯等重要參數(shù)繪制成曲線，記錄發(fā)生異常時(shí)間等。

4.2 PLC與紫金橋軟件通訊設(shè)置

先打開西門子梯形圖軟件V4.0 STEP7 MicroWIN SP6，點(diǎn)擊左側(cè)導(dǎo)航欄里的“通信”圖標(biāo)進(jìn)入通信參數(shù)設(shè)置界面。雙擊“雙擊刷新”圖標(biāo)找到CPU222并確認(rèn)，本地PLC的地址設(shè)為2，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和傳輸速率按缺省設(shè)定，完成通信參數(shù)的設(shè)定。

紫金橋軟件中設(shè)備驅(qū)動(dòng)選擇PLC，選擇西門子S7-200（PPI），填寫名稱水廠，設(shè)備地址 2，連接方式串口，數(shù)據(jù)更新周期1 s，超時(shí)時(shí)間3 s。下一步，串口COM1，波特率設(shè)置11520，數(shù)據(jù)位8，奇偶校驗(yàn)無校驗(yàn)，停止位1，附加設(shè)施GPRS廠家選擇廈門四信。GPRS名稱水廠1，偵聽端口5001，設(shè)備ID10000001。

4.3 主站與從站通訊設(shè)置

主站資金橋工程中點(diǎn)擊公共選項(xiàng)，選擇數(shù)據(jù)源，雙擊本地，彈出對(duì)話框，選擇遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，主機(jī)IP地址為192.168.0.1，從機(jī)IP地址為192.168.0.3，點(diǎn)擊高級(jí)選項(xiàng)，彈出對(duì)話框，更新方式選擇周期查詢，周期10 ms，超時(shí)時(shí)限60 s，故障恢復(fù)數(shù)據(jù)打勾，選擇120 min，從站與主站設(shè)置相同，主站設(shè)置如圖3所示。

圖3 主站通訊設(shè)置Fig.3 Master communication settings

主機(jī)防火墻設(shè)置，雙擊控制面板中的防火墻，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊例外，點(diǎn)擊添加端口，名稱5001，端口號(hào)1998，選擇TCP。

4.4 GPRS配置

1）運(yùn)行軟件Four-Faith IP Modem Config Tool V1.17軟件。工作狀態(tài)切換到“配置狀態(tài)”，選擇PC機(jī)所工作的COM1口，波特率115200，無校驗(yàn)。串口線對(duì)IP MODEM和電腦進(jìn)行連接，連接完成后對(duì)IP MODEM進(jìn)行上電[6]。

2）開始對(duì) IP MODEM中心服務(wù)器參數(shù)設(shè)置，IP地址192.168.0.1和端口號(hào)5001。

3）工作參數(shù)設(shè)置，工作模式PORT，激活方式AUTO，數(shù)據(jù)位8，奇偶校驗(yàn)無校驗(yàn)，停止位1，ID10000001。SIM卡號(hào)碼的設(shè)置13612345678。

以上設(shè)置已基本完成簡(jiǎn)易的設(shè)置，其它項(xiàng)如無特別要求的可為默認(rèn)，最后點(diǎn)擊左下角的保存，同時(shí)在右邊信息框中會(huì)提示設(shè)置成。

4.5 短信報(bào)警設(shè)置

紫金橋軟件雙擊點(diǎn)組態(tài)，彈出對(duì)話框選擇短信報(bào)警，點(diǎn)確定，點(diǎn)名為水廠短信報(bào)警，點(diǎn)擊短信設(shè)置，雙擊添加人員，填寫姓名李華和手機(jī)號(hào)13942386666。點(diǎn)擊報(bào)警設(shè)置，類型選擇按點(diǎn)名，添加報(bào)警變量，過濾條件選擇低報(bào)和高報(bào)，點(diǎn)擊添加報(bào)警按鈕，確定，點(diǎn)擊保存按鈕。如圖4所示。

圖4 短信報(bào)警設(shè)置Fig.4 SMS alarm settings

4.6 下位機(jī)程序軟件設(shè)計(jì)

PLC的軟件程序用梯形圖來編制，在STEP7 V4.0 SP6上實(shí)現(xiàn)。按照工藝流程順序控制整個(gè)過程，其程序流程如圖5所示。

5 結(jié)束語

利用先進(jìn)PID和模糊PID控制技術(shù)對(duì)自來水的生產(chǎn)工藝進(jìn)行自動(dòng)控制和監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的智能化程度。結(jié)合水廠工藝流程，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，取得了滿意的控制效果。該自控系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)，并得到了自來水公司的好評(píng)。

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]張?jiān)剑瑥堁祝w延軍.基于單片機(jī)和模糊控制的水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，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]師黎，陳鐵軍.智能控制實(shí)驗(yàn)與綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[4]胡敏.深入淺出西門子S7－200 PLC[M].北京:航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5]賈貴禮，吳尚慶.組態(tài)軟件控制技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2007.

[6]韓冰，李芬華.GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)， 2003（8）:26－29.

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