S7-300PLC和变频器在泵站恒压供水控制系统中的应用

1．引言
经随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变量供水方式在稳定城市管网压力、节约能源、系统监视管理方面已显现出极大的优越性。
2．系统组成情况
2.1 SINAMICS G150变频器
源于西门子最新传动家族的SINAMICS G150高性能单机变频调速柜适用于所有单电机传动的应用，满足多种负载特性的要求，包括平方转距，线性转距，恒转距及恒功率负载类型.。采用紧凑高品质威图（RITTAL）柜式设计，节省占地面积30%～70%。柜内强电保护，安静运行（低于67dB）。使用全新主控制板CU320，智能化设计，采用CF软件存储卡，提供光缆接口和ProfiBus接口，功能操作面板AOP30和功能强大的软件工具STARTER进行选型，调试，节能计算。SINAMICS G150变频器配合N-Compact电机非常适用于使用平方律扭矩特性驱动泵和风机的变频器操作。
2.2 可编程序控制器（PLC）
选用西门子S7-300系列通用型PLC。该系列PLC能适合自动化工程中的各种应用场合，使用模块化结构，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。使用CPU313C-2DP为核心控制单元，该模块带MPI和ProfiBus-DP通信接口，配有MMC存储卡，免维护，集成了24DI/16DI的数字量IO，再扩展一个8AI的模拟输入模块用于管网压力，流量，蓄水池水位及电机轴承温度等模拟量的检测。
2.3工业控制计算机（IPC）系统
使用研华IPC610工控机，以MS Windows2000为系统平台，配置CP5611用于ProfiBus-DP现场总线通信，SIMATIC NET 软件配置OPC Server 使用VB6开发系统监控软件，MS SQL Server为后台数据库管理平台。使用SIMATIC SETP7 软件进行对系统的组态和编程调试，使用STARTER 软件进行对SINAMICS G150变频器的配置调试。
其他设备包括水泵电机、出口阀门、压力传感器、液位计及相关电气控制设备等集成，进行变频调速全自动闭环控制管理监视功能，其系统组成示意见图1 。

图1 系统组成
3．系统的设计与实践
3.1 基本控制原理
由压力变送器测量管网压力和流量信号转换成标准模拟信号经PLD的A/D转换，和设定值比较，进行PID运算，通过DP总线控制变频器频率，调节水泵转速而达到恒压及节能原理。如图示。
3.2 通讯网络的选择与设计
PLC的发展除了功能越来越多、集成度越来越高外，
网络功能也越来越强。选择好控制器之后，选择数据的传输方式——通讯网络也是非常重要的。西门子根据不同自动化水平的要求（工厂级, 单元级, 现场和传感器/执行器级）,提供了网络解决方案，包括多点接口 （MPI）、Profibus、工业以太网、ProfiNet （基于工业以太网）、点对点连接 （PtP）、执行器/传感器接口（ASI）。目前网络是一个发展趋势，一个好的网络系统可以大大降低成本。本系统使用了Profibus-DP的网络，Profibus-DP通信速率达到12Mbps,能够方便将PC、PLC和变频器通过一根RS485屏蔽双绞线连接在一起实现通信控制，降低了布线和维护的费用。SIMATIC STEP7 提供强大的网络诊断工具也给调试带来很大方便。
3.2 变频参数设置
可以通过多种途径设置G150变频器参数。使用STARTER软件能够方便而直观的进行所有的参数设置。通过STARTER的向导设置G150变频器站地址，和波特率等参数，使之连接到DP总线上，成为S7-300PLC 的一个从站。配置连接的电机类型、电流、功率等参数，配置变频器命令源和主参数设定源为Profibus方式，选择速度控制方式（Speed control），定义Profibus PZD数据格式，选择使用水泵风机负载类型。如图所示。

图2 变频器设置向导

图3 驱动原理

图4 斜坡功能发生器（RFG）

图5 速度设定逻辑
3.3 下位机PLC程序开发
PLC本控制系统的核心元件。设备服务器工控机（IPC）与S7-300数据通讯使用高速PROFIBUS-DP通讯方式变频器和Profibus总线型西门子变频器。基于该对象进行PLC的硬件组态和软件组态，然后通过SIMATIC STEP7编程实现PLC控制算法，实现单元级控制。
使用控制字CW（Control Word）控制变频器的启停及运行方式，故障确认等。
监视状态字SW（Status Word）实时反馈变频器的运行状态。

图6 SETP7 中设置系统网络结构

图7 STEP7里进行硬件配置

图8 SETP7 DP通信程序
3.4 上位机监控程序开发
3.4.1 OPC Server通信服务器
PLC与上位监控计算机的数据交互采用了先进的OPC接口实现。OPC（OLE for Process Control）是以OLE/COM/DCOM机制作为应用程序级的通信标准。OPC技术的实现包括两个组成部分，即OPC Server和OPC Client。OPC Client通过OPC标准接口与OPC Server通信，获取OPC Server的各种信息。只要符合OPC标准的所有客户应用程序都可以访问来自任何生产厂商的标准OPC服务器程序。与DDE相比,OPC技术更具优越性。数据传输速度更快（在远程客户数多时，OPC技术优势尤为突出）、更安全、开发成本更低、可靠性更高等。西门子公司提供了功能强大的OPC Server 软件SIMATIC NET。通过SIMATIC STEP7 建立一个PC STATION 配置通信硬件CP5611，添加OPC Server和PLC建立S7通信连接编译后下载到本地PC运行既建立了OPC Server。
SIMATIC NET 不仅是功能强大的OPC Server而且包含了测试OPC 客户端 OPC Scout，并带有OPC Server Browse OCX等控件，为上位机的开发提供了很大的方便。界面的设计使用VB6，在VB6中添加SIMATIC提供的OPC 客户端组件，将PLC的变量和画面上的对象直接连接起来，就象组态软件一样方便。大大的简化了上位机和下位机通信驱动的开发编程，同时也提高了通信的稳定性和可扩展性。

图9 显示界面设计
3.4.2 SQL Server数据库服务器
选择了采用客户机/服务器计算机模型的SQL Server作为后台关系数据库服务器。根据需要建立了用户注册信息表、历史数据表、历史报警数据表、历史事件数据表、日志表、用户登陆信息表等。通过VB的ADO对象能够方便的对数据库进行操作，进行历史数据和历史报警和事件的记录、归档和查询。
3.4.3 界面元素设计
在成功建立通信和数据链路后，要将数据动态直观的在计算机屏幕显示出来。VB的良好的界面设计能力，能够实现各种WINDOWS元素的显示。本系统还使用了第三方设计的动态显示控件组（世纪飞扬），对实时曲线，历史曲线，动态指示灯、按钮、棒图等对象做了很好的处理，简单的数据连接即能实现美观的效果，大大的方便了设计。
4．结论
随着能源的相对紧缺，变频技术的不断发展和应用对于大功率的电机设备逐渐实现了变频改造。此外，由于计算机、网络通讯等技术的不断发展,潜移默化的改变着人们的学习、生活和工作等方式。对基于现场总线控制和远程、无线控制技术也将不断推广应用于各个行业。如对上述系统将IPC通过互连网络或PLC端加置无线通信（如GPRS）模块连接到自来水水总公司便可以实现网络的远程集中监控管理（包括远程智能监测和控制、远程故障诊断和维护等）、实现无人值班守泵站建设。
参考文献
[1] SINAMICS G150 Operating Instructions. Siemens A&G, Edition 06/03
[2] SIMATIC STEP7编程手册. 西门子自动化与驱动集团
[3] 西门子工业网络通信指南. 西门子自动化与驱动集团,机械工业出版社