基于S7-200的潜水泵站自动控制技术

摘 要：通过对西门子S7-200 PLC功能开发应用，实现泵站自动控制系统的故障自检、报警功能，特别是对电机运行参数的采集处理，参与控制，实现泵站无人值守而安全运行，且所需投资较少。
关键词：电机参数 警报 模拟量 控制 判断
1、引言
　　冶金企业由于其生产工艺的特殊性，水泵的应用很广泛。其中，一部分是各种类型的潜水泵。本文通过对西门子S7-200型PLC在潜水泵站控制系统的功能开发与应用，实现了潜水泵的降压启动，水位自动控制和两泵故障互投控制，并集异地远控、电机过载保护和漏水监测、温升异常检测于一体，结合丰富的报警显示功能，实现智能型无人值守泵站的功能。
2、控制系统组成及其功能要求
　　在一般的进排水工作场合，因为对水压与流量无严格要求，加之交流变频控制和软启动装置所需的一次性投资较大，所以水泵电机采用自耦变压器降压启动控制，不失为一个好方案。自耦变压器只是在启动瞬间持续通电约10余秒钟（视电机功率大小有所延长），即被切除，能耗问题可以忽略。电机主回路另设热继电器过载保护，互感器电流检测。水泵电机（75Kw）主回路自耦降压控制原理见图1。

　　控制回路硬件组成：⑴PLC器件包括西门子S7-200系列224CPU模块一只，扩展单元包括EM235模拟量模块一只，4路输入/1路输出，开关量输入输出模块EM223一只;⑵ 外设器件为液位控制器（JY-2A型）一套，电机自带铂电阻温度传感器两只，电流互感器（150A/20mA）两只及数显电流表一只，按钮、指示灯（DC24V）若干。模拟量模块EM235硬件配置见图2。

　　控制功能要求：两潜水泵电机在水位处于所设定的上下限之间（潜水泵电机需浸水冷却），电机无漏水情况和电机温升无异常（不大于60℃）时，均能开启任意一泵。若水位降至下限时，出于保护电机考虑，应自动停泵。当水位上升到下限时，水泵不应启动，水位继续上升至上限位时，水泵应自动开启，开启顺序应以 1#泵优先，1#泵因故未能运行，发出故障警报，通知维修人员前来处理，同时启动2#泵投用。两泵均不能正常投用时，为一级事故报警。水位处于上下限之间，在用泵发生因为电机漏水、温升异常、电机过载保护动作、主回路空气开关跳闸等情况，导致停泵时，要迅速启动另一水泵投用。在启动任意一台水泵时，均要检测该泵距上次启动间隔时间，以保证间隔时间大于10分钟时，才能再次启动运行该泵。
3、PLC程序设计
　　3.1 PLC I/O功能表
　　数字开关量输入/输出功能表见表1。模拟量由4路输入1路输出组成，分别是：1#和2#泵电机的负载电流与电机绕组温度检测;因为任何时间只有一台泵运行，所以一路输出作为电机负荷电流的数码显示，便于主控室操作人员查看。

表1
　　3.2 PLC系统控制流程
　　控制主程序分别调用三组子程序，依次进行PLC系统上电的硬件自检、控制器件初始化、模拟量数据采集输出处理，然后进入电气联锁自动控制运行程序。其中，硬件自检子程序通过读取系统信息，主要检测作为第一扩展模块的模拟量模块EM235是否已经可靠链接，模块自身是否存在故障，CPU模块提供给扩展单元的DC24V电源是否正常，硬件自检子程序LAD见图3。初始化子程序，对控制器件进行初始化，复位清零，避免程序内部寄存干扰，以保证程序稳定运行。模拟量数据采集输出处理子程序组包括四个子程序：分别是1#和2#水泵电机的负荷电流读入处理及输出显示子程序和电机绕组温度检测子程序。因为1#、2# 电机电流和绕组温度共4点模拟量的采集输入地址不同，所以在控制程序的编写上要一一给出，但是实际运行中任意时刻只有一台水泵在工作，因此只有一台电机的相关数据处理的两个子程序在运行。程序的执行时间也是有保证的。

　　在该控制系统中，电机的运行电流和绕组温度两个模拟量的检测，不仅仅是控制参数的采集显示，以供操检人员观察判断系统运行状态;而且通过西门子S7-200PLC对两参数是否异常的辨别判断，据此发出警示指明故障类型，同时决定泵的停止与投用，直接参与系统控制。
　　3.3电机运行参数的采集和控制功能的实现
　　在控制主程序的初始化子程序中，预置电机电流和绕组温度两模拟量的采样计数器频次，为增加数据稳定性而采取多次采样累积后求平均值，因此相关运算寄存器要预先清零。然后，系统在通过扩展单元故障检测后，即进行模拟量采集处理。又分两个子程序独立进行电机负荷电流和绕组温度的采样、运算、输出和判断。均为采用多次采样求和，通过移位除法求出平均值。不同的是电流值（寄存于VW20）一方面经传输指令由EM235的输出通道AQW0输出显示，该部分控制程序STL见图4;另一方面作为水泵是否有效运行的状态检测，以此判断电机故障和启用备用泵。电机绕组温度，作为控制级别较高的参数，经过采集处理，由比较指令结合定时指令进行判断，若温升出现异常，即迅速停止电机运行。

　　系统控制程序中，多处结合使用定时指令，增强了系统稳定性。例如：自耦降压变压器不允许频繁通电，利用定时器功能设定同一台水泵在间隔十分钟以后，方能再次启动。检测电机负荷电流，以判断电机是否真正在运行时，为避开外部接触器、继电器的动作时间，防止检测失误，启用一5秒的定时器，有效的保证了信号的可靠性，从而使下一步的CPU判断并决定是否启用另一台水泵，提供可靠的依据。通过设定比较参数值，检测电机实际运行电流若长时间（一般可设为30分钟）大于1.1～1.2倍电机Ie时，可停止运行该泵，排查原因，以免损坏电机，从而替代传统的过载保护装置。同时可发讯启动备用泵。由于电机绕组温度参数的特殊性，电机又是水浸式冷却，它不可能突变，因此在采样频率不变的情况下，对处理后的温度数据每五分钟检测比较一次，当大于所设定的温升值时即发出警示和停机，并启动另一泵，完全满足要求。不管电机电流过载与否，若电机温度急剧升高，超出正常允许温升，系统可立即停止该泵运行。以上控制功能的完成，都需要比较指令和定时指令相互配合，以使PLC能对实际情况作出正确的判断，启动相应的控制执行程序。
4、结束语
　　在低压控制系统中，引入模拟量参数参与控制。弥补了只反映输入输出器件状态的开关量控制系统，在执行器件正常动作而传动部分因电源或电机本身故障并未真正投用时，系统却“浑然不知”的缺陷。丰富的报警警示功能，并且是直指故障点式的，给操作检修带来极大便利。投资较少，主回路简便可靠，模块功能得到充分利用，近智能化控制，使泵站无需专人值守。
　　本文作者创新点：通过对水泵电机负荷电流和温升的采集检测，结合运用比较指令和判断指令，实现了PLC泵站控制系统运行状态监测和诸多设备保护功能。模拟量的处理及其与开关量的结合使用，使得系统的控制功能更为科学合理、更为完善。
参考文献：
　　[1]蔡行健 黄文钰编《深入浅出西门子S7-200PLC》北京 北京航空航天大学出版社 2003
　　[2]西门子 S7-200 PLC系统手册
　　[3]微计算机信息 陈雷、姜周曙《PLC在房间空调器性能测试系统中的应用》　2005年第21卷第2期