基于S7_300混合礦物質水設備控制系統應用研究

摘 要： 該文圍繞混合礦物質水處理系統工藝，主要介紹了該控制系統的結構、組成、硬件配置和軟、硬件設計。系統以西門子S7-300 系列 PLC 為控制核心，并運用西門子SIMATIC STEP7和WINCC Flxible編程軟件編寫了相應控制程序，從而實現對整個系統的控制。

關鍵詞：混合礦物質水；STEP 7編程軟件；WINCC Flxible組態軟件

引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，人們對飲用水的水質要求也越來越高，各種先進的水處理設備得到廣泛的應用，目前，根據市場的需求研發混合礦物質水的設備將具有極其重要的現實意義。本文根據混合礦物質水設備的工藝要求，采用西門子S7-300 PLC[1]為控制核心所研發設備主要用于大型飲用水生產企業，能夠將高礦物質水與純凈水按照一定比例配制，滿足一定的電導率要求，同時，經過后期工藝處理，達到飲用水的標準。

1 總體設計方案

一套礦水配置設備主要有以下三部分組成：純水與礦水比兌部分；混合緩存部分；水量輸出部分。該設備結構圖如圖1所示，

要想完成純水與礦水的比兌，達到一定的電導率，首先要有測量其純水和礦水的電導率的測量傳感器，并把所測量數值發送到控制器中，控制器根據其實時電導率對高礦物質水流量做PID控制[2]。由于在PID過程中有一定得延遲和滯后性，需要增加混存罐，對其進行緩存，使其在流量變化的瞬間產生的偏差得以緩和，增加電導達標率。在混合完全后，需要把比兌水輸入到水輸入管路中，根據各個管路的開啟度，以PID調節方式自動調節水流量，同時把實時流量反饋到控制器中，當做純水流量的參考值。

2 系統硬件設計

系統硬件結構圖如圖2所示：系統硬件主要由水泵（包含變頻電機）、變頻器、壓力傳感器、氣動閥門、電導率傳感器、流量計，控制器，HMI（人機界面），直流電源，閥島，電機保護器，接觸器，負荷開關，按鈕，指示燈等組成。動力電源采用380V交流，控制電源為24VDC，分別為控制器和控制元器件提供電源，模擬信號為4-20mA。電機保護器的選取以脫扣等級為10，整定電流以40℃時為標準電機的額定電流。負荷開關本身具有隔離開關，用于在泵本身的維修時的鎖定。控制電源分配端子前段的元器件的偏差提醒由安裝在面板上的指示燈完成，后端的則由HMI的報警信息提示。

西門子S7-300 PLC是模塊化小型PLC系統，完全滿足中、小規模的性能要求，同時硬件維護方便。人機界面（HMI） 已經集成在S7-300操作系統內，用戶只需在人機界面（HMI）中輸入數據，S7-300就會自動地按用戶命令傳送與處理數據[3]。因此，本系統控制器選取西門子S7-300系列， HMI選取MP系列觸摸屏，從而方便高效的完成對現場設備的控制。

系統中輸水泵變頻器本身具有PID調節功能，我們預先在該變頻器內給出了設定值。輸出壓力傳感器將數據首先傳送到控制器，再由控制器把數據傳送給變頻器，同時HMI通過通訊總線接受來自控制器的數據，并在界面將壓力值顯示出來。對于純水泵和高礦水泵的控制主要由PLC控制器發出信號控制相應的變頻器，根據對應的流量值把頻率模擬量信號發送給變頻器來控制變頻器的輸出。對于變頻器本身的控制信號由控制器驅動繼電器完成，從而實現了相應變頻器控制。

3 系統軟件設計

該系統的軟件采用SIMATIC STEP7和WINCCFlxible編程[4]，是西門子公司推出的面向其產品本身的編程平臺。該平臺不僅提供了編輯平臺，還具有各種測試、通信、控制和數值分析的能力，具有控制功能強大、庫函數豐富、實時性強、編程容易等優點。為了日后的更新、維護與拓展，在設計過程中采用模塊化的思想，整個系統分為PLC程序和HMI程序，其中PLC分為常用信號模塊，功能模塊，報警信號處理模塊，通訊模塊，熱啟動模塊，以及PLC本身故障模塊，時間中斷模塊，PID處理模塊。HMI程序分為畫面程序，報警信息模塊，手動操作模塊，曲線模塊，PID參數輸入模塊，報告模塊，以及打印模塊。系統軟件設計結構圖圖如圖3所示：

在軟件設計中，最為重要的是PID程序模塊和功能模塊，功能模塊主要完成的是數據的采集與轉換，PID模塊主要完成的是純水泵和礦水泵對流量的處理和頻率的輸出。在實際設備調試過程中，根據混合水的生產工藝要求及設備的運行狀態經過對PID參數的不斷調整，從而實現了最佳的控制狀態。調整界面如圖4所示。

4 結論

該系統以工業控制器為平臺，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統的可靠性和可維護性。該系統已用于某大型飲用水制造企業，實際應用表明該系統具有測試準確、穩定可靠、人機界面友好等特點，滿足了用戶的要求。

參考文獻

[1]廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005

[2]陳景平，西門子 S7-300/400 PLC 控制系統設計與應用，北京，清華大學出版社，2009

[3]用于S7-300/400系統和標準功能的系統軟件參考冊[Z].2004.

[4]SIMATIC HMI WinCC flexible 2008 使用手冊