基于Slmatlc S7-200Smart網絡通信液位定值反饋控制系統

王攀藻

（四川旅游學院四川成都610100）

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基于Slmatlc S7-200Smart網絡通信液位定值反饋控制系統

王攀藻

（四川旅游學院四川成都610100）

摘要：酒店供水水箱液位控制是靠干簧管機械控制水泵完成，液位控制誤差大，不節能。提出對水箱液位定值進行反饋控制方案，該方案使用SIMATIC S7-200SMART控制器內設PID模塊，內部為西門子串口網絡通信結構，首先對通信口設置合適參數，其次裝載

通信地址，轉載伙伴通信區和數據長度，最后讀取數據，實現上位機對多個控制器監控，從而控制多個氣壓水箱液位值。系統實驗結果表明，系統在階躍給定和階躍擾動的情況下，實現無靜差控制，水箱水位在階躍干擾信號下，保持設定值不變，誤差合理，滿足指標要求，實現節能、環保和提高水箱壽命。

關鍵詞：液位定值；S7-200SMART控制；網絡通信；變頻控制

我國大力發展旅游業，星級酒店星羅棋布于景區和城市，旅游旺季游客增多，每天要消耗大量水源，不同樓層分別由各自的水箱供水，長期水箱中的水位控制直接由干簧管水位控制器機械控制水泵工作，達不到理想的控制精度［1］，而且機械零部件容易損壞，耗時、耗能導致水箱壽命縮短。針對這種情況，提出智能液位定值反饋控制系統方案，用SIMATIC S7-200SMART通過網絡通信控制系統將多水箱液位穩定在給定值［2］，實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，達到水位控制精度高，節能環保和水箱使用壽命長的目的。

1　SIMATIC S7-200SMART網絡通信

S7-200SMART CPU模塊是S7-200的升級版，本體集成一個以太網接口和一個RS485接口，通過擴展CM01信號板，其通信端口數量最多可增至3個，可滿足小型自動化設備與觸摸屏，變頻器及其它第三方設備進行通信。

1）串口通信，S7-200SMAT CPU模塊均集成一個RS485接口，可以與變頻器，觸摸屏等第三方設備通信。可通過CM01信號板擴展串口，信號支持RS485，串口支持協議：Modbus RTU，PPI，USS，自由口通信，

2）與上位機通信，通過PC ACESS，操作人員實現通過上位機讀取S7-200SMART的數據，對設備監控和數據存檔

3）以太網通信，所有CPU模塊配備以太網接口，支持西門子S7協議、有效支持多種端連接：可作為程序下載端口；與SMART LINE觸摸屏進行通信；通過交換機與多臺以太網設備通信，實現數據的快速交互［3-6］，包含8個主動GET/PUT連接，8個被動GET/PUT連接。

2　系統總體設計

整個系統包含計算機控制技術，傳感技術、通信技術和電力拖動技術。系統中配備液位變送器對傳感器輸出信號進行變送，輸出電流信號給控制器。為實現信號穩定傳輸與測量，將4～20 mA的液位信號轉換為1～5 V的直流電壓信號并加入電容濾波，最大限度排除干擾。

本系統設置上位機監控，利用MCGS組態軟件將控制器上傳數據收集顯示并繪成曲線，通過對過程參數變化曲線的對比，能更直觀有效的分析液位值變化情況。

3　硬件部分設計

硬件部分由上位計算機、S7-200SMART控制器、液位水箱、電源控制箱、壓力傳感器、執行器、水路動力系統組成，如圖1所示。

圖1　系統硬件結構框圖

3.1控制器

S7-200SMART CPU是S7-200的升級版，使用經濟型模塊CR40，將一個微處理器、一個集成電源和數字量I/O點集成在一個緊湊的封裝中，從而形成了一個功能強大的微型CPU，50 kB存儲器具有高速脈沖輸出、高速計數（4路10KHZ）和信號板擴充的功能，實時時鐘，支持MjcroSD卡，I/ O模塊（6個）擴展，配備超級電容，掉電保證時鐘正常工作。支持用戶程序元素（主程序1個，子程序128個，中斷程序128個，嵌套深度：8個子程序級別）；通信端口數：1個以太網口/一個串口（RS485）/一個附加串口；編程設備（PG）：以太網一個。

3.2氣壓水箱

3個氣壓水箱外殼堅實耐用，內部充滿一定壓強的空氣。水箱靠水泵充滿水后，依靠內部氣壓為各個樓層供水。由緩沖槽、工作槽、出水槽和溢流管組成，進水時水管中的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經出水槽流出，這樣經過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩定。水箱底部連接有擴散硅壓力變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。

3.3電源控制箱

電源控制箱包含的主要器件有：漏電保護斷路器、交流電壓表、二位旋鈕開關、各種傳感器、變送器和控制信號接口。

3.4檢測裝置

傳感器為擴散硅壓阻材料，用于測量由水箱液位高度而產生的壓力，為直流24 V供電、4～20 mA變送輸出、標準兩線制接線、精度0.5級。

3.5執行器

FR-S520SE-0.4K-CHR型變頻器，控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220 V變頻輸出用來驅動三相磁力驅動泵。變頻器通過與THPFSM-2型控制屏配套使用，對液位進行自動調節控制。S7-200SMART采集處理液位信號，通過與輸入的給定信號比較，給出控制信號輸出，控制變頻器頻率，從而實現控制變頻泵轉速調節液位。

3.6水路動力系統

使用磁力驅動水泵型號為16CQ-8P，，三相變頻220 V輸出驅動，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180 W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，壽命長。

4　軟件系統設計

軟件系統設計模塊化，用STEP7 V4.0編寫，分為主程序模塊、子程序模塊和中斷程序模塊。報警處理和邏輯運算放在主程序中，液位顯示和系統初始化放在子程序中。PID控制的定時采用和輸出控制由定時中斷模塊功能實現。每個模塊采用線性化編程，CPU周期性地掃描OB1，使用戶程序在OB1內順序執行每條指令，由于全部指令都放在一個指令塊中，程序結構直觀。軟件程序流程圖，如圖2所示。

圖2　軟件系統流程圖

5　通信部分設計

5.1通信口設置

SIMATIC S7-200SMART通信中的SMB30和SMB130為自由端口控制寄存器。其中SMB30控制自由端口0的通信方式，SMB130控制自由端口1的通信方式。對SMB30、SMB130進行讀、寫操作，如下表1所示，這些字節設置自由端口通訊的操作方式，并提供自由端口或者系統所支持的協議之間的選擇。

如上程序所示，此段程序是將控制器的自由端口0的通信方式設置為“PPI/主站模式”，

表1　端口讀寫操作指令

5.2網絡讀寫指令

指令NETR/NETW，用于在西門子S7-200SMART PPI網絡中的各CPU之間的少量數據通信。網絡讀寫指令只能由在網絡中充當PPI主站的CPU執行，從站CPU不必專門編譯通信程序，只須將和主站通信的數據放入數據緩沖區即可，此種通信方式中的主站CPU可以對PPI網絡中其他任何CPU進行網絡讀寫操作。

5.3通信程序流程圖

上位機和S7-200SMART CPU等組成的通信流程圖，如圖3所示。

圖3　通信程序流程圖

6　系統實證和性能分析

基于星級酒店供水系統，兩個S7-200SMART控制3個氣壓水箱，每個水箱分別給星級酒店不同樓層供水。當打開上位機MCGS組態環境，進入西門子網絡通信運行環境。被控量為各水箱的液位高度，調試過程上中下水箱的液位穩定在給定值，將壓力傳感器檢測到的水箱液位信號反饋給控制器，兩個控制器計算后輸出信號，控制變頻器的頻率，以達到控制上、中、下水箱液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統輸出為PID控制。變頻器參數設置為：P1=50；P79=0；P160=0；P161=1；P182=4（電流）/3（電壓）。運行時，給水箱水位輸入階躍設定值10 cm，同時對3個水箱輸入階躍擾動，最后測量值穩定在10.25 cm，誤差為1.5%，符合指標要求。輸出值OP為100%，比例系數KP=8，積分時間Ki=25 s。變頻器的頻率穩定在工頻。液位數據瀏覽，如圖4所示。液位歷史曲線圖，如圖5所示。

7　結論

本文研究了適用于星級酒店供水部分的水箱液位定值反饋控制系統，提出基于西門子SIMATIC S7-200SMART控制器，以及內部PPI網絡通信的系統方案，上位機組態軟件與控制器通信，實現對多個水箱水位定值反饋控制，控制器軟件系統模塊化編程，加入PID子程序，使過程控制結果更加精確。實際驗證結果分析得出，水箱液位參數符合指標要求。本系統抗干擾能力強，控制結果水箱液位精度高，能夠滿足星級酒店企業節能、環保的要求。

圖4　水箱液位數據

圖5　液位歷史曲線圖

參考文獻：

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［5］廖常初.西門子通信網絡［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［6］Nanju Na，Keechoon Kwon，Changshjk Ham，et a1.A study on water 1eve1 contro1 of PWR steam generator at 1ow power and the se1f -tunjng of jts fuzzy contro11er［J］.Fuzzy Sets and Systems.1995（1）：135-136.

Slmatlc S7-200Smart based on network communlcatlon level feedback control system

WANG Pan-zao
（Sichuan Tourism University，Chengdu 610100，China）

Abstract:The hote1 js on the water tank 1eve1 contro1 reed mechanjca1 contro1 pump，1jqujd 1eve1 contro1 error，and jt js easy to damage. The water 1eve1 constant feedback contro1 scheme，the scheme uses SIMATIC S7-200SMART contro11er jn the PID modu1e，jnterna1 Sjemens serja1 communjcatjon network structure，fjrst set the approprjate parameters of the communjcatjon port，the second 1oadjng address，and accordjng to the number of communjcatjon partners reproduced area 1ength，fjna11y read data，rea1jze PC to mu1tjp1e monjtors thus，contro1 of a p1ura1jty of pressure water 1eve1 va1ue. The experjmenta1 resu1ts show that the system，gjven the system step and step djsturbances jn order to rea1jze，statjc contro1，water 1eve1 step djsturbance sjgna1 jn the order，keep the settjngs unchanged，the error js reasonab1e，to meet the requjrements of energy savjng，envjronmenta1 protectjon，and jmprove the 1jfe of the water tank.

Key words:1eve1；S7-200SMART contro1；network communjcatjons；varjab1e frequency contro1

中圖分類號：TN91

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0040-03

收稿日期：2015-06-02稿件編號：201506037

作者簡介：王攀藻（1976—），男，四川成都人，碩士，副教授。研究方向：信息技術，計算機控制。