PLC在供水控制系统中的应用

    1 　引言
 
    随着现代住宅区建设规模的扩大和人们对供水质量要求的提高, 除了自来水供水外, 在住宅区内建立纯净水供水系统已成为发展趋势。本文主要论述了在小区内采用现场总线的分布式PLC 控制系统, 对分布在各高层和多层建筑的现场供水设备进行数据采集和控制, 以及如何利用PLC 自由口通信方式进行主从通信, 实现对整个住宅区内的供水系统的有效、集中的监控和管理。
 
    2 　供水系统的计算机控制
 
    2.1.1 　控制系统的结构
 
    控制系统采用分布式主从结构,中间为现场总线式多点接口链路,下挂从站最多不超过32 个,其结构如图1 所示。
 

　
高层为八层及八层以上建筑, 多层为七层及七层以下建筑

    2.1.2 　控制系统的硬件构成
 
    该系统采用主从式的网络结构。主站由工业PC、CRT、打印机、RS —232 和RS —485 转换模块组成, 负责对从站的数据采集、监控和管理等。从站由S72200 系列的CPU224 主模块和I/ O扩展块组成。现场设备的信号直接与从站的I/ O 接口联接, 完成对供水系统中的各阀、泵、变频器等现场信号的采集和控制。中间层采用现场总线主从式的通信机制, 完成信息的传输。
 
    2.1.3 　控制系统的软件
 
    控制系统的软件主要包括从站的应用软件和主站的系统软件。从站的应用软件在西门子公司的STEP7 MICRO/ WIN312 编程软件包上编制, 这个软件包是专门为西门子SIMATIC 系列可编程控制器设计的, 通过PPI 电缆可以直接在主站计算机上对PLC 进行梯形图编程、调试、运行及启停控制。
 
    系统软件采用DEL PHI 自行开发, 软件设计规范化、模块化, 接口灵活, 画面生动直观, 操作简单方便, 如图2 所示。
 
    3 　工艺参数的过程控制
 
    3.1.1 　水箱水位的自动控制
 
    以设置在水箱中的高、低水位检测开关的状态为变量, 供水阀和泵(联锁) 为控制执行机构来调节水箱水位。当水箱水位到低位时, 供水阀和泵自动打开; 当水箱水位到高位时, 供水阀和泵自动关断。水位精度可以控制在018 %。
 
    3.1.2 　循环回水自动控制
 
    以循环周期为变量, 回水阀为执行机构来控制回水循环的通、断。循环周期= 回水阀通时间+ 回水阀断时间, 通和断的时间都是可调的, 回水阀通则回水流入水箱内, 否则停止流入。工艺上有几个回水阀时, 操作应自动互锁, 在同一时刻系统只允许有一个回水阀打开。
 
    3.1.3 　管道压力自动控制
 

    为了确保各层面住户的正常用水, 必须采用恒压供水。恒压控制的原理为: 当检测的压力与设定的压力产生偏差时, PLC 控制器按照增量PID 控制算法进行运算, 求出控制值, 该值经D/ A 转换扩展模块的输出端口输出4～20mA 的电流, 该电流接入变频器的输入控制端, 改变变频器的输出频率从而改变泵的转速, 最终使压力稳定。管道压力控制精度可达1 %。增量式控制算法如下:
    Y n = Y n - 1 + KpΔen + Ki en + Kd ( en - 2 en - 1 + en - 2)
    式中　Y n ———本次控制输出值
    Y n - 1 ———上一次控制输出值
    e ———本次偏差
    en - 1 ———上一次偏差
    en - 2 ———上上次偏差
    Δen = en - en - 1
    Kp ———增量系数
    Ki ———积分系数
    Kd ———微分系数 

    3.1.4

    压力泵运行/ 停止自动控制压力泵运转的负荷是用户用水量, 用户用水量大, 压力就下降, 反之压力就上升。PID 调节就是把用水量变动所引起的压力变化, 通过变频器输出频率的改变来调节压力泵的转速以达到恒压的目的, 在这种状态下工作的压力泵定义为运行状态。一旦用户在某个时段不用水时, 若压力泵仍处于长期运行状态, 就会很快造成压力泵的烧坏。因此在供水控制系统中压力泵能根据用水情况自动进行运行/ 停止控制, 这是一个重要的指标和功能。

    采用定时试探法实现这一控制, 它的控制原理如下: 当定时时间Δ T 一到, 原控制输出开度值按每秒x %开度下降试探, 若开度在下降过程中, 管压一直保持不变的话, 则到输出开度置零时, 压力泵就停止工作。只有当检测到管压下降到设置的底线值时,系统才重新使压力泵进入自动调压的运行状态, 将管压调节到设定的工艺压力值。若在开度下降过程中仍在用水, 则必然会使管压很快降到设置的底线值, 这时开度下降停止, 压力泵重新进入正常调压, 当下一个定时时间到达时, 再循环重复进行试探。这种恒压、自动调节、不供水时处于停止状态的控制策略在实际控制中取得了满意的效果。
 
    4 　PLC自由口通信方式及通信协议
 
    西门子公司S72200 系列PLC 的通信口主要有PPI 和Freeport (自由口) 两种工作方式。自由口通信方式是对用户完全开放的, 由用户通过程序自己定义通信协议以实现监控级上位机与PLC 间的通信。自定义的通信协议必须满足双方间安全可靠的握手要求, 同时通信的数据应完全满足系统的功能要求。
 
    4.1.1 　PLC的通信
 
    (1) 初始化　自由口方式只能在PLC 运行方式下通信。在进行通信之前必须先对PLC 通信口进行初始化。S72200PLC 通信口的初始化是通过对特殊存储器SMB30 和SMB130 进行位设置来实现的。对CPU224 而言, 只需定义通信控制寄存器SMB30 。
 
    (2) 通信指令　PLC 可编程控制器有专门的发送指令XMT 来发送数据, 在发送数据前, 应先将所要发送的数据存储在TABL E 表缓冲区中, 利用XMT TABL E PORT 指令就可以将数据发送给上位机。其中PORT 指令指定PLC 的通信口, 当数据发送结束时产生一个发送结束的中断信号。编制发送结束中断处理程序, 以便进行发送后的处理。S72200 是通过特殊存储器SMB2 来接收字符的。SMB2 是一个暂存缓冲器, 当接收的是一个字符串时, 该缓冲器将一个字符一个字符地接收, 每接收一个字符就产生一个中断, 中断事件号为8 。我们只要用一个中断程序联接到这个中断事件上,就可以处理接收到的字符。
 
    (3) 建立通信数据存放缓冲区表　把PLC 与上位机之间通信的所有数据都存放到数据缓冲区中, 不论是读数据、写数据或可读可写的数据都按字节顺序进行排列, 表的首址必须存放通信协议的总字节数, 这是PLC 发送指令XMT 要求的, 最大存放数据数不得超过256 字节。把格式中存放数据信息的第一个数据存放地址作为0 地址, 其他类型数据都以0 地址作参考, 用相对于0 地址的地址长度来确定其实际地址。对于I/ O 口数据, 把内部已定义的存储器也都映象到数据表相应的存放地址中。这样使PLC 与上位机之间都以数据表作为双方信息交流的界面。
 
    4.1.2 　PLC的通信协议
 
    通信采用主从方式, 以上位机作为主站发起通信信号, 从站( PLC) 则始终处于被动应答状态,随时准备响应来自主站的通信要求。因此PLC 的通信总是以先接收命令后发送命令为一个循环。在这个循环过程中所产生的接收或发送完中断, 由中断服务程序链接到串口中断事件后进行处理。当PLC 接收到信息后, PLC 程序应能识别其信息内容, 也就是说能识别信息帧中通信协议规定的格式。通信协议应符合国际通用标准, 同时结合本工程设置读数据命令(全数据扫描) 、写数据命令(参数修改遥调) 和写位操作命令(单点开关量遥控) 三种通信协议格式以满足本系统数据通信的需要。
 
    (1) 读数据通信协议　其格式和定义是建立在PLC 接收到命令后, 应全数据扫描需求将存放在数据表的数据向主站发送, 完成主站对从站的数据采集。
 
    (2) 写数据通信协议　其格式和定义是建立在主站界面上修改和设置参数后, 发送命令把该参数值写入到从站的PLC 存放地址上, 完成主站对从站的监控。
 
    (3) 写位通信协议　其格式和定义是建立在主站界面上对开关量操作后, 发送命令把该状态写入到从站的PLC 存放地址上, 完成主站对从站的遥控。
 
    5 　结束语
 
    本系统已在住宅区获得应用, 在中央控制室能全面监控下挂从站的各供水控制系统的整个运行工况。水位精度控制在018 % , 管道压力控制精度达1 % , 运行状况良好。