基于S7-200的潛水泵站自動控制技術
1、引言 冶金企業由于其生產工藝的特殊性，水泵的應用很廣泛。其中，一部分是各種類型的潛水泵。本文通過對西門子S7-200型PLC在潛水泵站控制系統的功能開發與應用，實現了潛水泵的降壓啟動，水位自動控制和兩泵故障互投控制，并集異地遠控、電機過載保護和漏水監測、溫升異常檢測于一體，結合豐富的報警顯示功能，實現智能型無人值守泵站的功能。2、控制系統組成及其功能要求 在一般的進排水工作場合，因為對水壓與流量無嚴格要求，加之交流變頻控制和軟啟動裝置所需的一次性投資較大，所以水泵電機采用自耦變壓器降壓啟動控制，不失為一個好方案。自耦變壓器只是在啟動瞬間持續通電約10余秒鐘（視電機功率大小有所延長），即被切除，能耗問題可以忽略。電機主回路另設熱繼電器過載保護，互感器電流檢測。水泵電機（75Kw）主回路自耦降壓控制原理見圖1。 控制回路硬件組成：⑴PLC器件包括西門子S7-200系列224CPU模塊一只，擴展單元包括EM235模擬量模塊一只，4路輸入/1路輸出，開關量輸入輸出模塊EM223一只;⑵ 外設器件為液位控制器（JY-2A型）一套，電機自帶鉑電阻溫度傳感器兩只，電流互感器（150A/20mA）兩只及數顯電流表一只，按鈕、指示燈（DC24V）若干。模擬量模塊EM235硬件配置見圖2。 控制功能要求：兩潛水泵電機在水位處于所設定的上下限之間（潛水泵電機需浸水冷卻），電機無漏水情況和電機溫升無異常（不大于60℃）時，均能開啟任意一泵。若水位降至下限時，出于保護電機考慮，應自動停泵。當水位上升到下限時，水泵不應啟動，水位繼續上升至上限位時，水泵應自動開啟，開啟順序應以 1#泵優先，1#泵因故未能運行，發出故障警報，通知維修人員前來處理，同時啟動2#泵投用。兩泵均不能正常投用時，為一級事故報警。水位處于上下限之間，在用泵發生因為電機漏水、溫升異常、電機過載保護動作、主回路空氣開關跳閘等情況，導致停泵時，要迅速啟動另一水泵投用。在啟動任意一臺水泵時，均要檢測該泵距上次啟動間隔時間，以保證間隔時間大于10分鐘時，才能再次啟動運行該泵。3、PLC程序設計 3.1 PLC I/O功能表 數字開關量輸入/輸出功能表見表1。模擬量由4路輸入1路輸出組成，分別是：1#和2#泵電機的負載電流與電機繞組溫度檢測;因為任何時間只有一臺泵運行，所以一路輸出作為電機負荷電流的數碼顯示，便于主控室操作人員查看。 表1
3.2 PLC系統控制流程 控制主程序分別調用三組子程序，依次進行PLC系統上電的硬件自檢、控制器件初始化、模擬量數據采集輸出處理，然后進入電氣聯鎖自動控制運行程序。其中，硬件自檢子程序通過讀取系統信息，主要檢測作為第一擴展模塊的模擬量模塊EM235是否已經可靠鏈接，模塊自身是否存在故障，CPU模塊提供給擴展單元的DC24V電源是否正常，硬件自檢子程序LAD見圖3。初始化子程序，對控制器件進行初始化，復位清零，避免程序內部寄存干擾，以保證程序穩定運行。模擬量數據采集輸出處理子程序組包括四個子程序：分別是1#和2#水泵電機的負荷電流讀入處理及輸出顯示子程序和電機繞組溫度檢測子程序。因為1#、2# 電機電流和繞組溫度共4點模擬量的采集輸入地址不同，所以在控制程序的編寫上要一一給出，但是實際運行中任意時刻只有一臺水泵在工作，因此只有一臺電機的相關數據處理的兩個子程序在運行。程序的執行時間也是有保證的。 在該控制系統中，電機的運行電流和繞組溫度兩個模擬量的檢測，不僅僅是控制參數的采集顯示，以供操檢人員觀察判斷系統運行狀態;而且通過西門子S7-200PLC對兩參數是否異常的辨別判斷，據此發出警示指明故障類型，同時決定泵的停止與投用，直接參與系統控制。 3.3電機運行參數的采集和控制功能的實現 在控制主程序的初始化子程序中，預置電機電流和繞組溫度兩模擬量的采樣計數器頻次，為增加數據穩定性而采取多次采樣累積后求平均值，因此相關運算寄存器要預先清零。然后，系統在通過擴展單元故障檢測后，即進行模擬量采集處理。又分兩個子程序獨立進行電機負荷電流和繞組溫度的采樣、運算、輸出和判斷。均為采用多次采樣求和，通過移位除法求出平均值。不同的是電流值（寄存于VW20）一方面經傳輸指令由EM235的輸出通道AQW0輸出顯示，該部分控制程序STL見圖4;另一方面作為水泵是否有效運行的狀態檢測，以此判斷電機故障和啟用備用泵。電機繞組溫度，作為控制級別較高的參數，經過采集處理，由比較指令結合定時指令進行判斷，若溫升出現異常，即迅速停止電機運行。 系統控制程序中，多處結合使用定時指令，增強了系統穩定性。例如：自耦降壓變壓器不允許頻繁通電，利用定時器功能設定同一臺水泵在間隔十分鐘以后，方能再次啟動。檢測電機負荷電流，以判斷電機是否真正在運行時，為避開外部接觸器、繼電器的動作時間，防止檢測失誤，啟用一5秒的定時器，有效的保證了信號的可靠性，從而使下一步的CPU判斷并決定是否啟用另一臺水泵，提供可靠的依據。通過設定比較參數值，檢測電機實際運行電流若長時間（一般可設為30分鐘）大于1.1～1.2倍電機Ie時，可停止運行該泵，排查原因，以免損壞電機，從而替代傳統的過載保護裝置。同時可發訊啟動備用泵。由于電機繞組溫度參數的特殊性，電機又是水浸式冷卻，它不可能突變，因此在采樣頻率不變的情況下，對處理后的溫度數據每五分鐘檢測比較一次，當大于所設定的溫升值時即發出警示和停機，并啟動另一泵，完全滿足要求。不管電機電流過載與否，若電機溫度急劇升高，超出正常允許溫升，系統可立即停止該泵運行。以上控制功能的完成，都需要比較指令和定時指令相互配合，以使PLC能對實際情況作出正確的判斷，啟動相應的控制執行程序。4、結束語 在低壓控制系統中，引入模擬量參數參與控制。彌補了只反映輸入輸出器件狀態的開關量控制系統，在執行器件正常動作而傳動部分因電源或電機本身故障并未真正投用時，系統卻“渾然不知”的缺陷。豐富的報警警示功能，并且是直指故障點式的，給操作檢修帶來極大便利。投資較少，主回路簡便可靠，模塊功能得到充分利用，近智能化控制，使泵站無需專人值守。 本文作者創新點：通過對水泵電機負荷電流和溫升的采集檢測，結合運用比較指令和判斷指令，實現了PLC泵站控制系統運行狀態監測和諸多設備保護功能。模擬量的處理及其與開關量的結合使用，使得系統的控制功能更為科學合理、更為完善。參考文獻： [1]蔡行健 黃文鈺編《深入淺出西門子S7-200PLC》北京 北京航空航天大學出版社 2003 [2]西門子 S7-200 PLC系統手冊 [3]微計算機信息 陳雷、姜周曙《PLC在房間空調器性能測試系統中的應用》 2005年第21卷第2期
