基于西門子S7-300的小區高層供水系統設計

文｜ 烏魯木齊水業集團有限公司 張凱旋

一、概述

本系統針對小區高層樓宇供水系統設計，實現小區高樓的供水系統自動控制與漏水檢測。在早期，變頻器的使用主要在頻率控制、升降控制、電機正反轉和轉速控制等方面，在恒壓供水系統中僅作為執行機構而使用。為了滿足高層用戶的用水需求，在不同的用水量狀態下保證供水管網壓力恒定，供水時需與壓力傳感器共同組成閉環系統進行壓力控制。這種方式需要一臺變頻器拖動一臺水泵，雖然成本較高但是易于與其他軟件進行組態，所以在某些高層供水系統中仍然在使用。現在，許多變頻器廠家已經設計出帶有恒壓供水功能的變頻器，只要使用配套的恒壓供水模塊便可直接控制多個內置接觸器工作，可以最多拖動7臺電機，降低了成本。但是，其輸出接口不夠靈活，與其他的監控系統和組態軟件兼容性差，難以實現有效通訊，故在實際使用時受限較多。據統計，現在城市用水的40%是由于漏水而導致的，所以本系統的漏水監測有重要意義。在本系統中，下位機采用西門子S7-300系列的PLC進行對系統的控制，上位機采用組態王軟件來實現畫面的實時監控。

在本系統中，所有測控數據均傳輸至值班室，并可以通過值班室的以太網使用WEB發布到互聯網。測控室配備兩臺工控機，實現雙機熱備份。同時，可以將測控數據推送到用戶手機APP，便于用戶監控自己家中的水管狀態。本系統設計在所有用戶端之前有一個壓力傳感器和流量計，所有用戶端之后也有一個壓力傳感器和一個流量計，還有兩個由變頻器控制的水泵，均含有手動自動的選擇功能。系統控制要求通過對兩個水泵的起停和功率大小調節來維持用戶后和用戶前的兩個壓力表之間的壓力差恒定，從而保證用戶端的水壓充足且不會壓力過大導致管道破裂。每個用戶之前也有一個壓力傳感器和流量計，還有一個可以控制開度的電磁閥。通過每個用戶端的壓力傳感器和流量計可以實時監控每個用戶端的狀態，如果出現漏水可以及時向值班室報警（包括漏水用戶對應的蜂鳴器和監控畫面報警），并將警情通過GPRS以短信的方式或手機APP推送至用戶手機（使用GPRS發送短信是為了防止用戶手機不聯網或將APP后臺清理），從而做出及時處理。系統的點表統計如表1所示（因篇幅所限有所簡略）。

二、整體設計框架

系統的整體設計框架如圖1所示。每棟樓設計一個PLC站，通過4～20mA信號采集模擬量，高低電平控制開關量。同時通過工業以太網配合光纜將采集的數據傳送到小區內的監控值班室，值班室內配備兩臺工控機作為服務器，形成雙機熱備份。系統可以通過值班室的寬帶網絡將數據上傳至云端，用戶可以通過手機APP來查看自己家里的水管流量和壓力。如果有漏水，則值班室內漏水用戶對應的蜂鳴器會響，提醒值班人員注意；同時會將警情上傳至云端，通過GPRS以發送短信的方式告知用戶（防止用戶手機不聯網或將APP后臺清理從而不能及時收到報警信息），同樣用戶也可以直接在手機APP中查看警情。

三、軟件/硬件選擇

本系統軟件系統分為上位機和下位機兩部分。上位機采用北京亞控科技有限公司的組態王6.55版編寫，下位機軟件采用西門子STEP7軟件進行編程。

硬件設備選擇清單如表2所示（僅一棟樓所需）。

表1 系統點表統計

圖 1 小區整體方案框架設計

四、上位機簡介

上位機監控畫面采用組態王軟件進行設計，組態界面如圖2所示。在畫面中，可以實現如下功能：用戶前和用戶后的壓力差設定；當前壓力差的實時顯示；高壓報警與低壓報警；用戶端出現漏水時報警提示；所有采集的壓力和流量數據實時顯示；電磁閥的啟動和停止；每個用戶端電磁閥開度控制；兩個水泵的啟動和停止；兩個水泵手動控制和自動控制的切換；兩個水泵手動控制狀態下功率大小設定；實時曲線顯示；歷史曲線顯示和歷史數據報表顯示和打印；報警記錄顯示等。與下位機變量連接如圖3所示（篇幅所限只截取一部分）。同時，上位機還設計有實時曲線、歷史曲線、歷史報表、報警窗口等功能，具體如圖4至圖7所示。其中，在實時曲線、歷史曲線、歷史報表中用戶可以自主選擇需要顯示的變量，隱藏不需要的變量。在監控室中配備兩臺工控機形成雙機熱備份，防止意外發生造成數據丟失。

表2 系統硬件設備清單

圖2 主監控畫面

圖3 上位機與下位機變量連接

圖4 實時曲線窗口

圖5 歷史曲線窗口

圖6 歷史報表窗口

圖7 報警記錄窗口

五、下位機程序介紹

下位機程序編寫使用STEP7組態軟件，CPU型號選用314C-2 PN/DP，因為該型號CPU帶以太網接口，與電腦通訊較為方便。且該型號CPU帶24路DI、16路DO、5路AI、2路AO，若現場對測控點數有少量增加時可直接使用這些點，不必對整體設備選型有較大改動。編程語言采用梯形圖與語句表相結合的方式，使用梯形圖因為邏輯控制較多，用梯形圖編程邏輯清晰；使用語句表因為語句表有梯形圖不具有的循環功能，省去了大量錄入地址的機械工作，使編程更為有效。

PLC程序由以下部分組成：主循環組織塊OB1、用戶端多路模擬量采集功能塊FC1、主控功能塊FC2、用戶前后的流量和壓力采集功能塊FC3、用戶端限流電磁閥AO輸出功能塊FC4、漏水監測功能塊FC5。其中，在OB1中調用FC1～FC5；在FC1中實現對用戶端的流量、壓力采集和處理。在FC2中實現對兩個水泵的控制，當主水泵的功率足夠時僅使用主水泵；當主水泵的功率不能滿足水壓要求時開啟副水泵并將主水泵功率保持在70%；當主水泵達到70%同時副水泵滿功率輸出還不能達到壓力要求時，則報警提示值班人員進行手動控制，手動逐步提升主水泵的輸出功率。FC3中實現用戶前和用戶后的兩個壓力和兩個流量的數據采集。FC4實現對用戶端的電磁閥開度控制，當第二個水泵以最大功率輸出且沒有值班人員進行手動控制時，則限制用水量大的用戶的流量以保證其他用戶的用水。電磁閥開度控制方法為：先用限制流量除以實際流量，將計算結果減去1，若此時結果大于0則用戶當前流量小于限制流量，電磁閥全開；若此時結果小于0則用戶當前流量大于限制流量，電磁閥的開度為此時計算結果取絕對值后乘27648（27648為模擬量對應的數字量的上限）。FC5實現對用戶端的漏水監測，計算方法為用戶端之后的流量加上所有用戶端流量（并存儲）減去用戶端之前的流量，結果若在誤差允許范圍內則判定為不漏水；若超過判定誤差則進行下一步判斷：將剛才存儲的流量之和減去一樓的用戶流量，與存儲的值作對比，對其值取絕對值后減去允許誤差，若結果大于0則可判斷為該戶漏水；若結果小于0則再將剛才存儲的流量和減去二樓的用戶流量，再次與存儲結果對比，對其值取絕對值后減去允許誤差，若結果大于0則可判斷為該戶漏水。如此依次取值直至32層用戶取值完畢。在FC2中，程序的主體思路是：當電磁閥打開時，延時5秒之后啟動主水泵進行對壓力差的PID控制；當主水泵功率達到70%時開啟副水泵，此時主水泵強制輸出70%功率，僅對副水泵進行PID控制。當主水泵輸出70%功率同時副水泵輸出100%功率時，上位機畫面中會進行低壓報警并且自動轉為手動控制（使用上位機腳本實現），以提醒值班人員注意，避免自動調節水壓過大使管道破裂。程序具體流程圖如圖8所示。

圖8 PLC程序設計流程圖

圖9 Simulink仿真

圖10-1 KI=0，KP=10

圖10-2 KI=0，KP=5

圖10-3 KI=2，KP=5

六、SIMULINK仿真

下位機中的PID參數設定由MATLAB的Simulink進行仿真實現，仿真流程圖如圖9所示。

調節PID參數時，先將KI設置為0，單獨調節KP。將KP設置為10，KI為0時的圖像如圖10-1所示。

嘗試將KP設為5時，圖像如圖10-2所示。

此時開始調節KI，嘗試設為2，圖像如圖10-3所示。嘗試減小KP至2，維持KI不變，圖像如圖10-4所示。

圖10-4 KI=2，KP=2

圖10-5 KP=2.6，KI=1.5

圖11 PID控制界面

圖12 在線PID整定初始參數設定

逐次逐個調節兩個參數多次之后，得到最佳波形，此時得到最佳波形，KP=2.6，KI=1.5，如圖10-5所示。

在S7-300系列PLC中，西門子提供了在線可視化調節PID參數的功能，在允許震蕩的系統中使用PID參數在線整定功能可以方便的修改PID參數，并將結果以可視化的方式展現在屏幕上，省去了在SIMULINK中進行數學建模的麻煩。同時，在窗口中如果選擇了自動操作，則可以實現PID參數的自動整定，使PID的使用更為方便快捷，在實際工程中有著較為廣泛的應用。具體使用界面如圖11、圖12所示。

七、控制柜設計

在實際工程中，控制柜的設計在測控系統中非常重要。控制柜的設計在一定程度上影響測控系統的性能好壞。在控制柜中，設備的布局可能會影響到信號傳輸、核心器件的散熱等，不合理的布局會使系統變的不穩定，嚴重的甚至會引起控制柜內溫度過高從而發生火災。

在本系統中，由于變頻器功率比較大，可能對系統穩定造成干擾，故將PLC與變頻器分開放在不同的控制柜中。PLC控制柜上半部分從左到右依次放置空氣開關（接入220V電源）、24V開關電源、PLC機架，下半部分放置端子排。兩個變頻器柜設計方案如圖13-1、圖13-2所示，柜子頂端安裝一個散熱風扇，上面從左到右依次放置空氣開關（接入380V三相電源）、變頻器，左側放置端子排。如此設計可以保證變頻器的運行不會對PLC及產生干擾信號，同時變頻器可以有良好的散熱效果。控制柜中PLC機架接線圖如圖14-1、圖14-2所示（篇幅所限相同的模塊接線圖紙只給出一個，實際個數見設備清單），變頻器的接線圖如圖15-1、圖15-2所示。兩臺變頻器的型號選擇均為西門子M430系列。

圖13-1 1#變頻器柜設計

圖13-1 2#變頻器柜設計

圖14-2 PLC接線圖1

圖14-2 PLC接線圖2

圖15-1 主水泵變頻器接線圖

圖15-2 副水泵變頻器接線圖

八、總結

本系統基本可以滿足高樓供水系統的測控需求本文設計的供水系統,根據用水量的多少由PLC控制投運水泵數目，變頻調節水泵電機轉速，保證供水水壓的恒定，從而可以有效地防止管網出現超壓而引起設備損壞并且避免供水壓力不足的情況；水泵電機可以實現循環軟啟動，避免了頻繁啟動時，啟動電流對供電系統、配電設備的沖擊，延長了電氣設備、水泵及管網的使用壽命；實驗證明，這種由PLC來實現的變頻調速恒壓供水系統，不但使水壓恒定，節電節水，系統維修工作量小；而且占地面積小，成本低，投資省，操作方便，運行可靠，非常適合于高層建筑和生活小區。