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水厂自动投钒系统改造
更新时间:2018-01-18 来源:《电气开关》2017年04期 作者:刘建

  1、引言

  改造前该水厂已经在使用变频器控制三相电机人工手动的方法投放明矾,而且工作人员会根据待滤水(处理后的水)浊度高低,旋动电位器改变变频器的频率输出,进而改变明矾投放量。在此基础上,并按照厂方要求,采取公式法,用西门子S7-200PLC实现对投放明矾进行自动化改造。根据源水的温度、pH、流量、以及浊度自动控制明矾投入量。PLC广泛应用于自动化控制系统的控制器,其性能稳定、编程简单明了,使用方便,是实现机械与电气一体化的优良工具,因此以PLC作为控制器。而且能够与组态软件以及传感器进行良好的通信,抗干扰性强,给系统运行带来保障。

  2、改造内容

水处理原理根据某研究所提供明矾投放的公式,并且安装好水质传感器(PH、温度、流量、浊度)。电气执行部分利用西门子S7-200PLC与传感器通信,读取上述数据,然后代入经验公式,计算出投矾量,经过PLC运算处理后,输出一个模拟量给变频器,投矾泵便以变频器输出频率工作;投矾泵的工作强度会随着上述各水质参数的变化而变化。电气监控部分是北京三维力控的组态软件,组太软件主要用于显示并记录各水质参数,以及明矾自动投放的启停控制。这样便于水厂员工日常水处理工作。

  3、系统改造方案设计

  3.1水厂原来的控制系统

180115 水厂自动投钒系统改造 (1).png

  3.2改造后系统原理图

180115 水厂自动投钒系统改造 (2).png

  改造后的系统主要用PLC采集传感器的测量值,把各个测量值代入一条经验公式,然后计算出投药量,通过公式转换后,投药量可以转化成变频器频率输出,最后再由变频器控制计量泵的转速。

  3.3控制系统用到的硬件

  西门子S7-224CNPLC(1个);CP243-1网络模块(1个);EM232模拟量输出模块(1个);施耐德继电器(4个);西门子的触摸屏WINCC(1个);24V开关电源(1个);漏电断路器(1个);上位机电脑(1台)。

  3.4控制系统用到的软件

  (1)STEP7 Micro/WIN;(2)Force Control 7.0。

  4、PLC的程序编写

  4.1Modbus程序快

  ASCI自由口通信需要对PLC的通信格式进行设置(波特率,奇偶校验,数据位I模式在西门子S7-200PLC里面是用自由口通信实现的。编程实现自由口通信的步骤如下:在西门子PLC里面,则需要对特殊寄存器SM30进行设置:本课题选择自由口通信,b1 b0为01;波特率为9600,则b4 b3 b2为010;数据位为8位,则b5为0;校验性为不校验,则b7 b6为00。综上所述SM30的值为000 010 01;16进制则为9。

  4.2S7-200的数字量与模拟量

  西门子PLC的模拟量输出是比较简便的,在程序里只需要用一条MOV_W指令便可实现EM232模拟量模块的模拟量输出。首先需要确认模拟量模块(EM232)的位置,是PLC数起的第几个模块,本项目模拟量模块在第二个模块。再确定模拟量输出的通道,是通道#1还是通道#2。如果选择从通道#2进行模拟量输出,那么该通道对应的寄存器为AQW4之后把数字量的值赋给AQW4便可(如图3所示)。

180115 水厂自动投钒系统改造 (3).png

  关于AQW的寻址方法:第一个模块的第一个通道为AQW0,第二个通道为AWQ2;第二个模块的第一个通道为AQW4,第二个通道为AQW6。西门子S7-200PLC的数字量,单极性输入输出为0~32000,双极性输出输出量为-32000~32000。EM232的模拟量输出(该模块为模拟量输出模块,不支持模拟量输入),该模块的模拟量输出分成电流输出与电压输出,电流输出的范围是4~20mA,电压输出的范围为0~5V或者0~10V,本次使用的是0~5V。

  4.3S7-200模拟量输出控制松下VF-7F变频器

  首先确认松下变频器(改造前就有)的模拟量输入类型,根据松下VF-7F变频器的说明书上的接线说明,端子2与端子10短接才是电流输入(如图4所示)。而我在现场用万用表检测时,发现这两端子并没有短接,所以的话,可以确认该变频器的模拟量输入类型为电压输入。

180115 水厂自动投钒系统改造 (4).png

  确认了是电压输入后,再确认电压输入的范围。测试方法是把频率调到最大,再用万用表测量电位器两端的电压,测得为5V。在PLC中写一条程序,把数字量赋值给AQW4或者AQW6。为PLC模拟量输出有效,变频器的频率显示。

  4.4PLC与各传感器的通信接线图

180115 水厂自动投钒系统改造 (5).png

  4.5PLC与各传感器的通信程序(PLC发送命令部分)

  由于西门子S7-200PLC的RS-485通信接口需要同时只能处理1个接收请求以及1个发送请求,所以为了迎合这个特点,我规定了每3秒发送一次读取请求,读取每个传感器的测量值,第5个传感器都读取完后,再次读取第1个传感器的测量值,以此类推,不断地循环。以下介绍每种传感器的通信程序。

  (1)流量计(2)浊度仪(3)PH仪

PH仪的通信协议选用Modbus,内部已设定波特率为9600bPS。每个请求之间的间隔要大于500ms。

  (a)PH仪通信例子

  PH模式举例说明:

  PLC发送:08 03 00 00 00 0C 45 56

  PH表返回:08 03 0C 30 36 2E 38 36 01 20 32 35 2E 31 00 7F

  EF返回命令注释:

  ①08为485地址;

  ②03为功能码,读取PH值或ORP值;

  ③0C为返回PH值和温度值的数据长度:固定值12;

  ④“30 36 2E 38 36”为返回的PH值(ASCII):06.86;

  ⑤“32 35 2E 30”代表温度:25.0°。

  (b)PLC关联程序(如图6所示)

180115 水厂自动投钒系统改造 (6).png

  5、组态软件

  北京三维力控组态软件(以下简称组态软件)是一个集成的工业控制软件产品。本改造中使用的版本Force Control V7.00。本次改造需要用到组态软件用户登录功能、组态软件曲线显示功能、组态软件报表功能、组态软件报警功能、曲线监控界面、报表查询界面、报警界面。

  5.1北京三维力控组态软件与西门子S7-200PLC

  (1)IO设备组态

  组态软件支持多种通信方式,也支持与多种IO设备的通信。西门子S7-200PLC是其中之一。在PLC侧把ETHx_CTRL设置好。然后在组态软件编辑器上设置好“IO设备组态”便可顺利进行通信。以下介绍通信的具体步骤。

  步骤1:在组态软件编辑器工程视窗中找到“IO设备组态”,再找到“PLC”,再找到“SIEMENS西门子”,最后双击“S7-200 TCP协议”。

  步骤2:填写“设备名称”,设置“更新周期”,“超时时间”,“通信方式”选择“TCP/IP网络”,其他可选择默认参数。点击下一步继续进行设置。

  步骤3:设置IP地址,该地址客户机IP地址必须一样。其他参数选择默认。

  步骤4:设置“TSAP(PLC)以及TSAP(PC)”可以选择默认的“10.00”。

  步骤5:点击完成,便可在IO设备组态的列表中看到刚刚设置过的设备组态。如图7所示。

180115 水厂自动投钒系统改造 (7).png

  5.2数据库组态

  数据库组态即为数据源连接,是组态软件与PLC建立起通信之后必须链接好数据才可以进行正常的组态。以下介绍数据库组态的步骤。

  步骤1:按路径进入数据库组态“工程视窗-数据库组态”;

  步骤2:在出现的页面中,双击表格控制处,选择“模拟IO点”;

  步骤3:设置基本参数,点名,点说明,上下限值设置;

  步骤4:进行数据连接,点击菜单栏的“数据连接”,点击“增加按钮”;

  步骤5:设置数据类型,连接西门子PLC的寄存器,最后点击确定按钮(如图8所示)。

180115 水厂自动投钒系统改造 (8).png

  6、结束语

  经过前期的现场考察,方案制定,控制器选型,控制器电柜原理图设计,到中期的通信测试,组态软件的编辑,再到最后的结合实际进行5个传感器的通信功能实现,程序编写调试,组态界面定稿,完成了一个较为完整的自动投矾系统。基本实现了PLC控制明矾自动投放的过程,处理效果也让水厂人员满意。

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