基于S7-300PLC的循环水站控制系统

2014年似衰枚术与传贏2014第2期Instrument Technique and基于S7-300PLC的循环水站控制系统梁宇峰,罗益民2,张媛媛(1.南京工业大学自动化与电气工程学院江苏南京21000;2特变电工新疆硅业有限公司,新疆乌鲁木齐83000摘要:设计基于S7-300PC的循环水处理过程中的循环水泵站控制系统,详细介绍了供水系统的结构和工作原理,简要叙述了变频风机冷却装置的节能方法。并且根据工艺要求,对供水系统的控制方法进行了具体分析。针对供水系统存在的大迟滞和非线性,采用模糊PD控制算法控制系统的管网压力,从而实现恒压供水的目的。该控制系统在实际项目的应用中取得不错的效果,而且运行稳定,节能显著。关键词:S7-300PLC;恒压供水;循环水泵;模糊PID中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1002-1841(2014)02-0054-0Energy-saving Control System of Circulating Water StationBased on S7-300 PLCLIANG Yu-feng, LUo Yi-min, ZHANG Yuan-yuan(1. School of Automation and Electrical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China2. TBEA Xinjiang Silicon Industry Co, Ltd, Urumqi 830000, China)Abstract: This paper designed the control system of pump station in circulating water treatment process is based on the S7300 PLC. It introduced the structure and working principle of the water supply system. and it designed the energy-saving methodssupply system control. Against to the large hysteresis and nonlinear of the system, it used Fuzzy Pid control algorithm to control its pipe network pressure, in order to achieve the purpose of the constant pressure water supply. The system has obtained good resultsin the application of the actual project. And stable operation, significant energy savingKey words: S7-300 PLC; Constant Pressure Water Supply; circulating pump; Fuzzy PID0引言当变频泵的频率开到最大压力变送器将测得的管网压力传送循环水站控制系统是目前在工业循环水应用领域十分普给S7-300PLC,如果管网压力值达不到给定的压力值就控制遍的控制系统,它包括恒压供水和风机冷却2个部分。传统的开启工控水泵按照a、b、c的顺序依次开启。测量的数据送给供水系统资源浪费严重而且水质容易污染,对循环水系统的DCS做监控,S7-300PIC与DCS之间要做主从站的通讯,采稳定和工业循环水设备的腐蚀存在很大的威胁,已不能满足循用 Modbus rtu协议通过SIEP的编程实现数据的传输。每环水系统的需求了。过去的循环水冷却方法一般都是采用与台循环水泵通过S7-300PLC设计报警功能并在组态上显示空气直接接触的自然冷却方法,或者采用机械风机进行冷却的报警。系统的结构图如图1所示。方式,但对资源的浪费都很巨大。随着目前工业对资源的竞争S7-300 PLCmpcs越来越激烈,这些传统的方法都将遭到淘汰(。该系统的恒压供水采用一台变频泵带动多台工控泵,引用变频调速技术,根据所检测的压力变化,通过S7-300PLC控压力传感器制变频泵的转速和水泵开启的数量,同时可以进行自动和手动的切换,维持压力的恒定,实现恒压供水2。1循环水站控制系统综合泵站11循环水站的恒压供水系统循环总管1.1.1系统结构吸水池循环水站的恒压供水系统是由1台变频器和4台水泵(ab,c,d)组成,其中水泵d为变频泵,可以通过变频器的变频调中国煤化工速实现水泵的变频控制另外3台水泵(a,b,c)为工控水泵,通1.1.2工作CNMHG过S7-300PLC控制循环水的管网压力实现水泵的自由切换,综合泵站将生产用水送入吸水池,作为循环用水的来源,而且通过S7-300PC控制阀门的开度大小来控制吸水池的收稿日期:2013-03-12收修改稿日期:2013-10-10液位。另外PIC将安装在循环总管管网末端的压力传感器所2期梁宇峰等:基于$7-300PLC的循环水站控制系统55检测的管网压力与预先设定的压力值进行比较通过得出的压有很强大的实用功能可以实现对整个系统进行实时监控,包力差来控制变频器的输出。并且根据4台循环水泵电动机的括对数据进行采集生成报表历史与实时曲线、报警记录、系定子温度和轴承温度值,设计上限连锁停机和报警,当定子的统参数设置和修改等功能温度超过145℃,轴承温度超过90℃,二者满足其一时,就强2.2.2管网压力模糊PID控制器设计制停止相应的工作泵,从而有效保证水泵电机和现场环境的安在恒压供水系统中,管网压力是经过加权后得到的,是全,延长水泵的使用寿命减少企业的经济损失个很重要的控制参数,它的测量值决定着整个系统的稳定,因变频器可以通过S-300PIC的模糊PID控制算法来控此对于控制精度和实时性要求比较高。由于系统中管网压力制输出,通过比例-微分-积分调节,从而控制变频泵d的转是非线性的,扰动量大,采用传统的PD控制效果不理想,而且速,调节管网的压力并保持恒定,实现恒压供水和节能的目的。存在明显的滞后现象。将模糊控制引入系统与PD控制相结1.2循环水站变频冷却控制合,设计针对系统管网压力的模糊PID控制器6循环水通过供水系统进入冷却塔,进行冷却控制。传统的模糊PID控制器的结构如图2所示,采用偏差e和偏差的机械冷却控制中的风机都是一直工作在恒定转速下的这样不变化率e作为输入信号的二维模糊控制。其中E和EC分别仅浪费了大量的电能而且降低了风机的使用寿命。该系统为e和e的模糊化后模糊量;u和U分别为模糊控制的模糊输的7台风机全部采用变频器控制通过控制循环水的温度来调出和实际输出;K,为偏差e的量化因子,K为偏差变化率ec的节变频器的频率,从而控制风机的转速和风机的运行数量。设量化因子K为控制输出量u的变化因子;X为压力测量值,计温度的闭环控制回路,当温度过高时,升高频率提高风机的为压力的反馈值。转速;反之降低风机的转速。实现对风机的合理利用,节约能源,保护环境。糊推理1.3报警设计系统中的循环水泵和风机都设计了启动和停止按钮,通过D控制器管网末端压力S7-300PLC编程软件和组态软件WINC对循环水泵和风机压力变送器的按钮进行控制。当启动按钮为亮绿色,延时5s后变为暗绿色,此时停止按钮变为本色时,如果PC信号输出大于4mA,图2模糊PD控制器原理图循环水泵和风机无运行状态标志,则显示报警,启动按钮闪烁;在系统的正常工作状态下,输入输出量都有一个基本的变同样当停止按钮为亮绿延时5s后变为暗绿,同时启动按钮按化范围,管网压力给定值X=500kPa,实际测量的反馈压力Y,变为本色时如果循环水泵和风机有运行状态标志则显示报偏差e=x-y。分别设定偏差e的变化范围是[-30,+301;:偏警,停止按钮闪烁。差变化率e的变化范围是[-6,+6];控制输出量u的变化范2控制系统的硬件配置和软件设计围是[-9,+9],模糊变量E、EC、U的模糊论域都取为-3,2.1硬件配置2,-1,0,1,2,3},则根据公式可以得到的量化因子K=3/30系统采用S7-300PC作为下位机采集现场的数据,通过0.1,e0的量化因子Kn=3/6=0.5,u的比例因子k.=9/3=3串口通讯模块的 Modbus rtu从站协议与DCS主站通讯,选用将E、EC、和U的语言值都取7档,分别为负大(NB)、负中CP40作为串口通讯模块,DC选用C-300控制器。PLC的中(NM)、负小(NS)零(20)、正小(F)、正中(PM)、正大(PB),央处理单元选用CPU-2DP,选用以太网模块CP343-1进行上根据控制经验得到语言变量的赋值表。下位机的通讯,电源模块选用PS3075A,模拟量输入模块选用e,ec和u均取三角形隶属函数,选用“ if e is a and ec is bA8×13Bt,模拟量输出模块选用A04×12Bit,变频器选用水泵 then u is c"(其中a、b、c均为输出输入语言变量中的元素)7与风机专用的MM40变频器。管网压力的测量精度要求较并根据现场管网压力的控制经验和控制要求得出控制规则表高,选用某品牌的压力变送器。利用得到的语言变量赋值表和控制规则表,由模糊推理法求出2.2软件设计对应的模糊关系R,并做相应的调整,最后得出模糊控制查询2.2.1编程和监控软件的开发表,如表1所示。下位机编程软件采用 SMATIC STEP7-V5.4,与STEP模糊PD算法在S7-300PLC中实现的流程图如图3所MicroWIn相比,它的编程更加简洁各个功能块之间相互独立,示,首先将量化因子K,K和比例因子K的初始值依次存人结构明了,简单实用。在系统中通过使用梯形图和结构化编程数据块DB1中;根据采样时间计算e和e并存入DB1中;将模方法设计各个功能(FC),实现变频泵的模糊PD控制、工控泵糊化后得到的自动与手动控制冷却风机的PID变频控制及设定压力的回的各个元素H中国煤化工次把模糊查询表中CNMHOBDO-DB4. DBD195差控制。利用编程软件STEP7-V54在相应的组织块中进行中同时通过将模糊论域[-3、-2、-10、12、3]转化为[0排除故障的编程,解决PLC因故障停机的问题S。234556、7],可以为查询过程提供极大的便利。最后根据算上位机监控软件采用 SMATIC WINCC组态软件,该软件具式并采用间接寻址方式查表,即得到模糊控制量U,在与比Instrument Technique and SensorFeb.2014例因子K相乘去模糊化得到实际输出量u最终通过将u送开始给PID控制器来对变频泵的频率进行控制,从而实现模糊PID在PLC中的应用开启变频泵d表1模糊查询表给定压力测、N量的压力P2033222PID运算调节变频泵2采样时间2频率x50HzNP压力回差Y将输入量和e存人D该控制器在系统的实际运行中取得较好的效果,减少了达开启a泵到稳态所需要的时间,有效地解决了管网压力的非线性强和扰动大的缺点。实现恒压供水的目的,节约能源。Y将超限值设为上限或下限恒压供水的控制方法P<压力回差2?系统的控制方法如图4所示。若变频器开到最大50Hz「将模啊化后的输入量变频泵d达到最大转速,所测得的管网压力达不到给定的要E,EC存入DB求,则自动启动工控泵a9;若压力还达不到要求,则启动泵b;开启b泵最后总管压力还达不到要求则启动工控泵。反之按顺序6-b来a依次停泵。与比例因子相乘得为了保证循环水泵能够正常运行,避免水泵出现时开时闭到实际输出uP压力回差3>N现象,后三台工控泵在自动控制下进行回差控制,回差设定值利用d调节循环水泵开分为3个层次,回差设定1的压力值要高于回差设定2的压力开启c泵值,回差设定2的压力值要大于回差设定3的压力值,分别对应ab、c3台水泵进行设定,保证它们依次减小。当变频泵频图3模糊PD在PLC中的流程图图4循环水泵控制流程图率达到最大且管网压力当前值未达到回差1下限时则水泵a目前,该系统已经应用于新疆某硅业公司,系统运行稳定而且启动;当继续调节变频泵是频率达到最大,且管网压力当前值效果显著,基本达到预期节能、减排的目标未达到回差2下限时,水泵b启动;当在此调节变频泵的频率参考文献:达到最大,且管网压力当前值仍未达到回差3下限时,水泵c[1朱敏基于PC的智能变频恒压供水系统20系统仿真技术及启动。反之,当变频泵的频率调到最小值,且管网压力超过回其应用学术交流会论文集,2006差设定值上限时,按顺序c、b、a,依次停止水泵的运行。自动控2] DENG C,LH,HANJ. Water supply system of constant pressure制时,为了防止压力已达到要求后,部分水泵可能会一直不参based on PLC control. Recent Advances in Computer Science and In-与工作,而导致生锈损坏,因此对a-c三台水泵进行循环控制formation Engineering, 2012, 192: 339-3使用,即在泵a启动后定时24h交换压力回差设定值1和2使3】蔡世军赵新义,王堂莹循环冷却水节水技术研究进展工业水水泵循环到b,b运行24h候再交换压力回差设定值2和3,使处理,2009,29(3):4-8c开启,24h后再交换压力回差设定值3和1,通过循环交换压[4]廖常初S7-300400PC应用技术北京机械工业出版社,2008.[5]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团西门子PLCS7-300力回差设定值实现水泵的循环使用模块中文选型手册,200由于系统中要求使用的循环水泵的电压达到1000V,电压[6]谢仕宏,朱晓聪姜丽波模糊PD控制算法在恒压供水系统中的很高,容易造成循环水泵电机的损坏,因此在自动控制下,进行应用陕西科技大学学报,2007,25(2):109-112循环水泵的交换时,必须延时1-2min,保证水泵完全启动和[7]廉小亲模糊控制技术,北京:中国电力出版社,200停止,再进行交换,避免循环水泵出现故障。[8]蔡小亮,罗益民孙峰,等基于PC和WINC的智能双腔监测换结束语热器.化代表201037(2)81-83通过利用97-300PC和 WINCC对循环水站控制系统进9]吴肖甫,中国煤化工策略及其实现浙江行控制和组态,提高了循环水泵和变频风机的使用寿命和工作大学学报CNMHG效率,而且节约电能降低成本。设计的模糊PD控制器应用作者简介:粱宇峰(190-),硕士,主要研究方向:工业生产过程控制系于管网压力的控制,不仅提高了控制精度,而且极大地改善了统的设计与监控,工业检测仪表的设计与应用恒压供水系统的滞后问题,实现恒压控制,节约大量的电能。E-mail:602139516@qg.com