新疆某引水工程的控制系统设计

　　0 引言

　　在新疆的建设与发展中，水资源历来是最大的制约因素，在可持续发展的条件下合理利用现有的水资源一直是学者和专家研究的热点。库尔勒经济技术开发区于2007年成立，规划面积为140平方公里，它作为库尔勒市甚至巴音郭楞蒙古自治州工业崛起的脊梁，将带动天山南坡经济带的发展，但库尔勒气候干旱，水资源匮乏成为开发区发展的瓶颈。新疆某引水工程正是出于对经济发展和生态平衡的双重考虑，于2009年初开始施工建设。

　　引水工程中的重点在水源附近的泵房，其功能是把水源中的水抽进长达6.02公里的混凝土管道，保证水顺利到达开发区内。取水点与开发区之间的高度差约为40米，使得抽水所用的水泵功率为1250KW才能满足动力要求，而且，泵房停机时的回水压力巨大，如没有科学的控制与管理系统，会造成管道损坏，威胁管理人员的人身安全[1][2]。本文通过目前先进的工业现场控制方案，解决了上述问题，实现了经济与环境的和谐发展。

　　1 泵房的系统构成

　　1.1 系统设备介绍

　　泵房的基本构成如图1所示，为了保证系统工作的工作效率和稳定性，采用了2条并行的输水线路选择性的工作。同时，在水源的水进入抽水系统前，经过一个过滤池，去除水中存在的各种杂物，保证系统工作时的安全。

　　水泵所用电机功率为1250KW，额定电压10KV，电机使用软启动柜进行分段启动；5个调节阀选用上海斯托克公司SK系列阀，驱动电压为380V或220V，控制信号与远程阀位的反馈信号均为标准的4—20mA电流；出水阀前端各有一个起保护作用的单向阀，合并管道前端有泄水管道及泄水的单向阀；水泵与出水阀之间还安装有重庆川仪的PDS423压力变送器，监视管道内的压力变化。



　　图1泵房的系统构成

　　1.2 系统工作要求

　　针对第一条工作线路来说，1#电机启动时，首先调节1#进水阀全开，1#出水阀全关，然后1#电机动作，水泵随电机启动开始工作，管道内开始进水，管道内水压增大，当压力变送器检测到水压值达到0.65MPa时，1#出水阀开始打开，直至全开；1#电机停止时，1#电机首先停止工作，20秒延时后，1#出水阀开始关闭，直至全闭，1#出水阀完全关闭后，1#进水阀开始关闭，直至全闭。2#电机的动作条件和程序与1#电机相同，但需要注意的是，1#电机与2#电机启动的时间间隔为30分钟，1#电机与2#电机停止的时间间隔为20分钟，如果其中一台电机单独工作，可以随时启动或停止。

　　2 泵房的控制系统搭建

　　泵房安全状态受到设备工作情况的影响，选择控制器的重点在于其工作的稳定性，经过多方面的比较，决定采用西门子公司的S7-200PLC作为控制核心。S7-200PLC是西门子公司开发的小型可编程控制器，可以单机控制，也可以进行模块的扩展，属于整体式结构。它价格低廉、结构小巧、可靠性高、运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，具有很高的性价比。CPU选择了224XPCN，该CPU集成有14输入/10输出共24个数字量I/O点；数字量扩展模块选择了EM223，该模块有8输入/8输出共16个数字量I/O点；模拟量模块选择了EM235，该模块有4路模拟量输入和1路模拟量输出[3]。上位的人机界面选择了两种方式，一是工控计算机，二是触摸屏。

　　整个控制系统的结构如下图所示。



　　图2控制系统的结构

　　PLC控制高压软启动柜，从而达到启动或停止电机的目的，同时把电机的状态信息传回至上位机和触摸屏；安装在管道上的压力传感器的信号和调节阀的阀位信号通过防干扰的信号隔离器，进入EM235模块，通过模块间的排线将信息传送到CPU中。[page]

　　3 控制程序与监控画面设计

　　3.1 控制流程图

　　根据泵房的工作流程，编写了控制流程图，如图3所示。



　　图3泵房控制流程图

　　3.2 梯形图与HMI画面的编写

　　S7-200PLC使用STEP7-Micro/WINV4.0软件编写程序，编程语言选择了技术人员所熟知的LAD。PLC的CPU需要同时与触摸屏和工控机通信，224XPCN型号的CPU恰好有2个485串口，Port1口与触摸屏连接，Port0口采用Modbus的通信协议与工控机连接[4]。在工控机的人机界面中，没有单独的组态软件对输水的设备进行监控，这些信息与泵房内的高低压变电设备信息一起，集成在四川金泰格公司自主开发的监控软件中。

　　梯形图的Modbus初始化程序如图4所示。MBUS_INIT指令中，Mode用来选择通信协议，将其输入值设定为“1”，表示CPU将Port0口定义为Modbus通信协议，并使能该协议；Addr用于设置站地址的值；Baud用于设置通信的波特率，可以设定为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或115200共8个值，在此选择9600；Parity用于设置校验，使Modbus的从站与主站相匹配；Delay用于设置延迟参数，由于本系统为有线网络，所以设置该参数为典型值0；MaxIQ用于指定主设备可以使用的I/O点数；MaxAI指定了主设备可以使用的模拟量输入字的个数；MaxHold指定了主设备可以访问的保持寄存器的最大个数；HoldSt～用于设置保持寄存器的起始地址[5]。当MBUS_SLAVE指令对Modbus请求作出应答时，“完成”输出打开，如果没有需要服务的请求时，“完成”输出关闭。“错误”输出包含执行该指令的结果，该输出只有在"完成"打开时才有效，如果"完成"关闭，错误参数不会改变[6]。

　　此外，由于泵房内的2条输水线路工作顺序相同，所以对其编写了子程序，在主程序中分别调用，赋予不同的实参即可。这一优点缩短了程序编写的时间，同时增加了CPU的工作效率。



　　图4Modbus初始化



      图5MT500HMI界面

　　HMI设备选择的是威纶通科技有限公司生产的MT500触摸屏，它具有很高的性价比，可以满足现场的工作要求。为触摸屏编辑画面的软件为EasyBuilder，共建立了状态画面、1#电机操作画面、2#电机操作画面、泄水阀的控制、报警画面5个窗口[7]。图5所示为1#电机操作画面，有电机停止和启动的手动按钮，有电机的状态指示，有管道工作压力值，还有进水阀与出水阀的控制按钮和状态指示，画面结构简单，可以容易的被工作人员理解。

　　4 结语

　　该控制系统采用了目前典型的工业控制方案，硬件的选择与搭配考虑了工作可靠性与经济适用性两个方面。自该引水工程竣工以来，运行结果证明，泵房的控制系统运行稳定，开机与停机过程中没有出现安全事故，节省了人力，降低了输水成本，实现了泵房实时状态监控和数据管理等功能，对整个引水工程的自动化管理起到了至关重要的作用。

　　参考文献：

　　[1]邓学让.长距离泵站引供水工程试运行设计与实施应注意的几个问题[J].水利规划与设计，2010（3）:69-70

　　[2]肖顺利.PLC在污水处理厂多台泵中的应用[J].电气时代，2007（7）:92-93

　　[3]吴志敏，阳胜峰.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程[M].中国电力出版社，2009:1-8

　　[4]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].机械工业出版社，2007:88-89，149-156

　　[5]陈铭.基于MODBUS协议的设备和PLC实现通信的研究[J].湖南科技学院学报，2009,30（4）:60-62

　　[6]SIMATICS7-200PLC手册[M].西门子公司，2003.

　　[7]MT500使用手册[M].威纶通科技有限公司，2008.