0 引言
在新疆的建設與發(fā)展中,水資源歷來是最大的制約因素,在可持續(xù)發(fā)展的條件下合理利用現(xiàn)有的水資源一直是學者和專家研究的熱點。庫爾勒經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)于2007年成立,規(guī)劃面積為140平方公里,它作為庫爾勒市甚至巴音郭楞蒙古自治州工業(yè)崛起的脊梁,將帶動天山南坡經(jīng)濟帶的發(fā)展,但庫爾勒氣候干旱,水資源匱乏成為開發(fā)區(qū)發(fā)展的瓶頸。新疆某引水工程正是出于對經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)平衡的雙重考慮,于2009年初開始施工建設。
引水工程中的重點在水源附近的泵房,其功能是把水源中的水抽進長達6.02公里的混凝土管道,保證水順利到達開發(fā)區(qū)內(nèi)。取水點與開發(fā)區(qū)之間的高度差約為40米,使得抽水所用的水泵功率為1250KW才能滿足動力要求,而且,泵房停機時的回水壓力巨大,如沒有科學的控制與管理系統(tǒng),會造成管道損壞,威脅管理人員的人身安全[1][2]。本文通過目前先進的工業(yè)現(xiàn)場控制方案,解決了上述問題,實現(xiàn)了經(jīng)濟與環(huán)境的和諧發(fā)展。
1 泵房的系統(tǒng)構(gòu)成
1.1 系統(tǒng)設備介紹
泵房的基本構(gòu)成如圖1所示,為了保證系統(tǒng)工作的工作效率和穩(wěn)定性,采用了2條并行的輸水線路選擇性的工作。同時,在水源的水進入抽水系統(tǒng)前,經(jīng)過一個過濾池,去除水中存在的各種雜物,保證系統(tǒng)工作時的安全。
水泵所用電機功率為1250KW,額定電壓10KV,電機使用軟啟動柜進行分段啟動;5個調(diào)節(jié)閥選用上海斯托克公司SK系列閥,驅(qū)動電壓為380V或220V,控制信號與遠程閥位的反饋信號均為標準的4—20mA電流;出水閥前端各有一個起保護作用的單向閥,合并管道前端有泄水管道及泄水的單向閥;水泵與出水閥之間還安裝有重慶川儀的PDS423壓力變送器,監(jiān)視管道內(nèi)的壓力變化。
圖1泵房的系統(tǒng)構(gòu)成
1.2 系統(tǒng)工作要求
針對第一條工作線路來說,1#電機啟動時,首先調(diào)節(jié)1#進水閥全開,1#出水閥全關(guān),然后1#電機動作,水泵隨電機啟動開始工作,管道內(nèi)開始進水,管道內(nèi)水壓增大,當壓力變送器檢測到水壓值達到0.65MPa時,1#出水閥開始打開,直至全開;1#電機停止時,1#電機首先停止工作,20秒延時后,1#出水閥開始關(guān)閉,直至全閉,1#出水閥完全關(guān)閉后,1#進水閥開始關(guān)閉,直至全閉。2#電機的動作條件和程序與1#電機相同,但需要注意的是,1#電機與2#電機啟動的時間間隔為30分鐘,1#電機與2#電機停止的時間間隔為20分鐘,如果其中一臺電機單獨工作,可以隨時啟動或停止。
2 泵房的控制系統(tǒng)搭建
泵房安全狀態(tài)受到設備工作情況的影響,選擇控制器的重點在于其工作的穩(wěn)定性,經(jīng)過多方面的比較,決定采用西門子公司的S7-200PLC作為控制核心。S7-200PLC是西門子公司開發(fā)的小型可編程控制器,可以單機控制,也可以進行模塊的擴展,屬于整體式結(jié)構(gòu)。它價格低廉、結(jié)構(gòu)小巧、可靠性高、運行速度快,有極豐富的指令集,具有強大的多種集成功能和實時特性,具有很高的性價比。CPU選擇了224XPCN,該CPU集成有14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點;數(shù)字量擴展模塊選擇了EM223,該模塊有8輸入/8輸出共16個數(shù)字量I/O點;模擬量模塊選擇了EM235,該模塊有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出[3]。上位的人機界面選擇了兩種方式,一是工控計算機,二是觸摸屏。
整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
PLC控制高壓軟啟動柜,從而達到啟動或停止電機的目的,同時把電機的狀態(tài)信息傳回至上位機和觸摸屏;安裝在管道上的壓力傳感器的信號和調(diào)節(jié)閥的閥位信號通過防干擾的信號隔離器,進入EM235模塊,通過模塊間的排線將信息傳送到CPU中。
3 控制程序與監(jiān)控畫面設計
3.1 控制流程圖
根據(jù)泵房的工作流程,編寫了控制流程圖,如圖3所示。
圖3泵房控制流程圖
3.2 梯形圖與HMI畫面的編寫
S7-200PLC使用STEP7-Micro/WINV4.0軟件編寫程序,編程語言選擇了技術(shù)人員所熟知的LAD。PLC的CPU需要同時與觸摸屏和工控機通信,224XPCN型號的CPU恰好有2個485串口,Port1口與觸摸屏連接,Port0口采用Modbus的通信協(xié)議與工控機連接[4]。在工控機的人機界面中,沒有單獨的組態(tài)軟件對輸水的設備進行監(jiān)控,這些信息與泵房內(nèi)的高低壓變電設備信息一起,集成在四川金泰格公司自主開發(fā)的監(jiān)控軟件中。
梯形圖的Modbus初始化程序如圖4所示。MBUS_INIT指令中,Mode用來選擇通信協(xié)議,將其輸入值設定為“1”,表示CPU將Port0口定義為Modbus通信協(xié)議,并使能該協(xié)議;Addr用于設置站地址的值;Baud用于設置通信的波特率,可以設定為1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200共8個值,在此選擇9600;Parity用于設置校驗,使Modbus的從站與主站相匹配;Delay用于設置延遲參數(shù),由于本系統(tǒng)為有線網(wǎng)絡,所以設置該參數(shù)為典型值0;MaxIQ用于指定主設備可以使用的I/O點數(shù);MaxAI指定了主設備可以使用的模擬量輸入字的個數(shù);MaxHold指定了主設備可以訪問的保持寄存器的最大個數(shù);HoldSt~用于設置保持寄存器的起始地址[5]。當MBUS_SLAVE指令對Modbus請求作出應答時,“完成”輸出打開,如果沒有需要服務的請求時,“完成”輸出關(guān)閉。“錯誤”輸出包含執(zhí)行該指令的結(jié)果,該輸出只有在"完成"打開時才有效,如果"完成"關(guān)閉,錯誤參數(shù)不會改變[6]。
此外,由于泵房內(nèi)的2條輸水線路工作順序相同,所以對其編寫了子程序,在主程序中分別調(diào)用,賦予不同的實參即可。這一優(yōu)點縮短了程序編寫的時間,同時增加了CPU的工作效率。
圖4Modbus初始化
圖5MT500HMI界面
HMI設備選擇的是威綸通科技有限公司生產(chǎn)的MT500觸摸屏,它具有很高的性價比,可以滿足現(xiàn)場的工作要求。為觸摸屏編輯畫面的軟件為EasyBuilder,共建立了狀態(tài)畫面、1#電機操作畫面、2#電機操作畫面、泄水閥的控制、報警畫面5個窗口[7]。圖5所示為1#電機操作畫面,有電機停止和啟動的手動按鈕,有電機的狀態(tài)指示,有管道工作壓力值,還有進水閥與出水閥的控制按鈕和狀態(tài)指示,畫面結(jié)構(gòu)簡單,可以容易的被工作人員理解。
4 結(jié)語
該控制系統(tǒng)采用了目前典型的工業(yè)控制方案,硬件的選擇與搭配考慮了工作可靠性與經(jīng)濟適用性兩個方面。自該引水工程竣工以來,運行結(jié)果證明,泵房的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定,開機與停機過程中沒有出現(xiàn)安全事故,節(jié)省了人力,降低了輸水成本,實現(xiàn)了泵房實時狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理等功能,對整個引水工程的自動化管理起到了至關(guān)重要的作用。
參考文獻:
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[6]SIMATICS7-200PLC手冊[M].西門子公司,2003.
[7]MT500使用手冊[M].威綸通科技有限公司,2008.