基于S7_300混合礦物質(zhì)水設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘 要： 該文圍繞混合礦物質(zhì)水處理系統(tǒng)工藝，主要介紹了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、硬件配置和軟、硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以西門子S7-300 系列 PLC 為控制核心，并運(yùn)用西門子SIMATIC STEP7和WINCC Flxible編程軟件編寫了相應(yīng)控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的控制。

關(guān)鍵詞：混合礦物質(zhì)水；STEP 7編程軟件；WINCC Flxible組態(tài)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(zhì)要求也越來越高，各種先進(jìn)的水處理設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，目前，根據(jù)市場的需求研發(fā)混合礦物質(zhì)水的設(shè)備將具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文根據(jù)混合礦物質(zhì)水設(shè)備的工藝要求，采用西門子S7-300 PLC[1]為控制核心所研發(fā)設(shè)備主要用于大型飲用水生產(chǎn)企業(yè)，能夠?qū)⒏叩V物質(zhì)水與純凈水按照一定比例配制，滿足一定的電導(dǎo)率要求，同時(shí)，經(jīng)過后期工藝處理，達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

一套礦水配置設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，

要想完成純水與礦水的比兌，達(dá)到一定的電導(dǎo)率，首先要有測量其純水和礦水的電導(dǎo)率的測量傳感器，并把所測量數(shù)值發(fā)送到控制器中，控制器根據(jù)其實(shí)時(shí)電導(dǎo)率對高礦物質(zhì)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(jìn)行緩存，使其在流量變化的瞬間產(chǎn)生的偏差得以緩和，增加電導(dǎo)達(dá)標(biāo)率。在混合完全后，需要把比兌水輸入到水輸入管路中，根據(jù)各個(gè)管路的開啟度，以PID調(diào)節(jié)方式自動調(diào)節(jié)水流量，同時(shí)把實(shí)時(shí)流量反饋到控制器中，當(dāng)做純水流量的參考值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：系統(tǒng)硬件主要由水泵（包含變頻電機(jī)）、變頻器、壓力傳感器、氣動閥門、電導(dǎo)率傳感器、流量計(jì)，控制器，HMI（人機(jī)界面），直流電源，閥島，電機(jī)保護(hù)器，接觸器，負(fù)荷開關(guān)，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(jī)保護(hù)器的選取以脫扣等級為10，整定電流以40℃時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的額定電流。負(fù)荷開關(guān)本身具有隔離開關(guān)，用于在泵本身的維修時(shí)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(bào)警信息提示。

西門子S7-300 PLC是模塊化小型PLC系統(tǒng)，完全滿足中、小規(guī)模的性能要求，同時(shí)硬件維護(hù)方便。人機(jī)界面（HMI） 已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，用戶只需在人機(jī)界面（HMI）中輸入數(shù)據(jù)，S7-300就會自動地按用戶命令傳送與處理數(shù)據(jù)[3]。因此，本系統(tǒng)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(xiàn)場設(shè)備的控制。

系統(tǒng)中輸水泵變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能，我們預(yù)先在該變頻器內(nèi)給出了設(shè)定值。輸出壓力傳感器將數(shù)據(jù)首先傳送到控制器，再由控制器把數(shù)據(jù)傳送給變頻器，同時(shí)HMI通過通訊總線接受來自控制器的數(shù)據(jù)，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(fā)出信號控制相應(yīng)的變頻器，根據(jù)對應(yīng)的流量值把頻率模擬量信號發(fā)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(qū)動繼電器完成，從而實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)變頻器控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)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(chǎn)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(shù)值分析的能力，具有控制功能強(qiáng)大、庫函數(shù)豐富、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、編程容易等優(yōu)點(diǎn)。為了日后的更新、維護(hù)與拓展，在設(shè)計(jì)過程中采用模塊化的思想，整個(gè)系統(tǒng)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(bào)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(shí)間中斷模塊，PID處理模塊。HMI程序分為畫面程序，報(bào)警信息模塊，手動操作模塊，曲線模塊，PID參數(shù)輸入模塊，報(bào)告模塊，以及打印模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖圖如圖3所示：

在軟件設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)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(shí)際設(shè)備調(diào)試過程中，根據(jù)混合水的生產(chǎn)工藝要求及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過對PID參數(shù)的不斷調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了最佳的控制狀態(tài)。調(diào)整界面如圖4所示。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)以工業(yè)控制器為平臺，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。該系統(tǒng)已用于某大型飲用水制造企業(yè)，實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，滿足了用戶的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[2]陳景平，西門子 S7-300/400 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京，清華大學(xué)出版社，2009

[3]用于S7-300/400系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)功能的系統(tǒng)軟件參考冊[Z].2004.

[4]SIMATIC HMI WinCC flexible 2008 使用手冊