一种基于PLC和组态MCGS的饮用水输送监控系统设计.pdf

中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-70-三星推荐城市供水作为城市基础设施的重要组成部分，其发展水平是城市现代化程度的重要标志，也是城市可持续发展的重要保障。为了适应经济建设、城市发展和人民生活水平的提高，本着基础设施先行的原则，城市供水水平也应与城市发展水平相适应。城市规模日益扩大，人们用水量日益增大、对水质安全的意识逐渐增压，对水压稳定性的要求日益提高，目前的城市供水系统逐渐难以满足，供需矛盾逐渐凸显，亟须解决。水厂自动化水平较低，尤其是在线监测设施不足，不能适应现代化水厂管理要求。本文提出合理利用自动化设备，建立一个简单且易于实现的居民饮用水输送监控系统模型，满足水厂的监视与控制任务，提高供水效率，降低了生产成本，为实际设计和实现打下基础。自来水厂控制系统及功能输送工艺控制系统的功能概述如下。（1）第一阶段原河水处理。按下“启动按钮”或 SB1，M3（双速电机）进水泵电机将待处理的原水抽入蓄水池，当蓄水池中的水位处于低水位或无水状态时，M3 以高速工作快速将原水抽送至蓄水池，处于高水位，但未满时，M3 机以低速工作将原水抽送至蓄水池直至注满蓄水池。蓄水池水满时，此时 M3 电机立即停止，M4（步进电机）明矾投放电机正转 4 圈向蓄水池中投放明矾，投放完成后，立即反转 4 圈复位，当M4 电机复位完成后，M5（伺服电机）活性炭投放电机正转到 SQ11 向蓄水池中投放活性炭，投放完成后，等待 10S 后自动反转回到 SQ10 复位回收活性炭，复位完成后第一阶段结束。（2）第二阶段饮用水输送。饮用水的输送情况由用户水压的情况决定，当水压为 0 5MPa（0 5V 时），居民饮用水以M1 饮用水输出泵 2#电机输出，M1 电机以星型正转启动运行 2S 后间隔 0.5S 转为以工频向用户输送饮用水。当水压为 5 8MPa（5 8V）时（当水压到达 5MPa 10s 后），此时居民饮用水以 M2（变频控制）饮用水输出泵 1#电机输出，M1 饮用水输出泵 2#电机停止，M2 电机起先以 50Hz 运行输出居民饮用水，随着用户水压的继续提升 M2 电机逐步减小输送的频率直至减小到 40Hz 为止保持不变。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度谢萍萍 贺笃贵 陈圣涛铜陵职业技术学院谢萍萍（1988），女，安徽滁州，硕士研究生，讲师，研究方向：控制科学与工程。基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点项目（2023AH052892），安徽省教育厅自然科学研究重点项目（2023AH052889），铜陵职业技术学院自然科学研究重点项目（tlpt2022NK007），铜 陵 职 业 技 术 学 院 自 然 科 学 研 究 重 点 项 目（tlpt2022NK001），安徽省质量工程特色高水平专业（2022tsgsp079）。一种基于 PLC 和组态 MCGS 的饮用水输送监控系统设计谢萍萍 贺笃贵 陈圣涛-71-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期三星推荐当水压超过 8MPa，在 9 10MPa（9 10V）时，M2 电机保持 30Hz 的频率输出。当蓄水池中的水位再次处于低水位或无水状态时，系统自动跳转到居民饮用水输送第一阶段。此时也可按下 SB2 或“停止按钮”设备立即停止。输送控制系统设计探究系统方案结构设计根据功能要求，对系统结构进行设计，如图 1 所示。采用 3 个 PLC 以太网通信分布式网络控制。网络中，控制中心为 S7-300PLC 指定为主站，用于协调各模块单元数据传输和处理，其余 2 个 S7-200SMART PLC 为从站，分别采集外部的输入信号，并控制对应的 5 个电动机，其中M1、M2 和 M3 电机是普通电机，采用数字量输出类型为继电器型的 S7-200 SR40 控制，M4 和 M5 为步进伺服电机，采用数字量输出类型为晶体管的 S7-200 ST30 控制。上位机采用MCGS组态软件，与S7-300PLC通过以太网通信，能够实现数据的实时交互，达到对工艺流程的实时监控。电气设计和安装根据 PLC 的设计原则、控制系统要求，以及多控制器系统中，主站与任一从站均可单向或双向数据传送，从站与从站之间不能互相通信，如有数据传送则通过主站中转等情况，综合考虑，进行多控制器的输入输出元件的找出，并分配 I/O 地址，完成相应的安装和接线工作，给设备通电。整理相关设备的一些参数设置要求并完成。（1）I/O 地址分配并安装接线表 1 3 台 PLC 的 I/O 地址分配类别电气元件地址功能主站 PLC（S7-300）输入按钮 SB1I0.0启动按钮按钮 SB2I0.1停止按钮SA1I0.2蓄水池低水位检测SA2I0.3蓄水池高水位检测子站 1：PLC（SR40）输入压力传感器AIW16水压检测输出KM1Q0.0M1 电机主接触器KM2Q0.1M1 电机 Y 接触器KM3Q0.2M1 电机接触器KM4Q0.3M3 电机低速接触器KM5/KM6Q0.4M3 电机高速接触器DIN1Q0.5M2 电机变频器正转DIN2Q0.6M2 电机变频器反转变频器模拟量输入AQW16变频电机转速子站 2：PLC（ST30）输入SQ10I0.0右限位检测开关SQ11I0.1左限位检测开关SQ1I0.2步进电机左超程SQ2I0.3步进电机右超程SQ3I0.4伺服电机左超程SQ4I0.5伺服电机右超程输出SIGNQ0.0M5 伺服电机控制脉冲PULSEQ0.2M5 伺服电机控制方向SIGNQ0.1M4 步进电机控制脉冲PULSEQ0.7M4 步进电机控制方向按照上述的 PLC 输入输出地址分配，对相应的设备进行安装接线。（2）相关设备参数设置对于选择的伺服和步进驱动器，均设置相应的参数使其旋转一周需要 1 000 个脉冲，伺服电机设置电子齿轮比，步进电机对应设置步距角。本项目中的变频控制也是连续变化的，使用变频器的模拟量控制，设置其相应的参数，采集对应压力传感器输送来的 010V 电压，进行 A/D 的转换，进而进行模拟量控制。程序结构设计（1）触摸屏组态程序设计组态设计包括三个方面：组态界面设计、设备及变量连接和通讯下载。用昆仑通态MCGS人机界面给出主控信号，主要包括起动按钮、停止按钮，以及 5 个电动机的运行状态，还有用户当前的水压显示，组态设计参考界面如图 2 所示。组态设计时，触摸屏与 PLC 连接地址数据分配见表 2。表 2 触摸屏与 PLC 连接地址数据分配触摸屏变量S7-300 PLC 变量触摸屏变量S7-300 PLC 变量起动M101.0M1 电动机M200.0停止M101.1M2 电动机M200.1用户水压MW204M3 电动机M200.2M4 电动机M210.0M5 电动机M210.1图 1 系统结构框图图 2 MCGS 组态监控界面中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-72-三星推荐（2）PLC 程序设计在设计整体控制程序时，应首先从程序的系统性着手，通过组件网络，规划通信数据，使系统组织起来，然后根据各工作单元的工艺要求，分别编制各站的控制程序。通讯连接设计首先规划通信数据交换范围示意表，见表 3。定义各站的网络通讯数据，见表 4。表 4 网络通信数据定义主站主站地址数据含义子站 1 地址 子站 2 地址发送区域M100.0起动V100.0V100.0M100.1停止V100.1V100.1M100.2高水位检测V100.2V100.2M100.3水满检测V100.3V100.3M100.4第 2 阶段标志位V100.4接收区域M200.0M1 电机运行V200.0M200.1M2 电机运行V200.1M200.2M3 电机运行V200.2MW204用户水压VW204M210.0M4 电机运行V210.0M210.1M5 电机运行V210.1M210.2（M100.4）第 2 阶段标志位V210.2主站程序主站在系统中没有具体功能要求，程序主要涉及网络通信参数的规划。子站程序子站 1、子站 2 的程序由工艺流程可以绘制出其顺序功能图如图 3 和图 4 所示：其中子站 2 中伺服和步进电机的控制需要进行运动向导设置，具体如下：打开运动向导，选择轴 0（伺服）和轴 1（步进）;测量系统可选择工程单位或者相对脉冲;方向控制选择单相（2 输出），PLC 自动为伺服和步进电机分配控制方向和控制脉冲信号，其中 M5 伺服电机的脉冲和方向信号为的Q0.0 和 Q0.2，M4 步进电机的脉冲和方向信号为的 Q0.1和 Q0.7;电机起停速度设置不宜过大。伺服和步进电机的控制均可采用 AXISX_CTRL 启用和初始化运动轴子程序和 AXISX_GOTO 命令轴运转到指定位置子程序实现控制。M4 步进电机要实现方向和位置的精确控制，那么可以将 AXIS1_GOTO 的 Mode 参数选择“1”相对位置类型，然后通过给定 Pos 端子参数，指示要移动的位置（绝对移动）或要移动的距离（相对移动），根据所选的测量单位，该值是脉冲数（DINT）或工程单位数（REAL），本次要求是转动 4 圈，前面以及设置了旋转一周需要 1 000个脉冲，那么 4 圈应该给定脉冲数 4 000 个，正反转的控制通过Q0.2信号实现控制。M5伺服电机只需实现方向的控制，那么可以将 AXIS0_GOTO 的 Mode 参数选择“2”单速连续正向旋转类型，然后通过 Q0.7 控制电机运动的方向。调试运行系统的调试很关键，俗话说“三分编程、七分调试”。调试应遵循一定的步骤：先调试控制电路，这时主电路不上电，控制电路正常后，再将主电路通电，在空载运行状态下对整个系统进行调试，最后接上实际负载进行调试。如调试结果不符合项目要求，则对硬件和程序进行调整。调试步骤以及注意事项如下。（1）基础调试：安装检查无误后进行调试，依次检测伺服电源、PLC电源指示灯和扩展模块AM06是否正常点亮；检测按钮、原点传感器是否能正确工作；打开编程软件，用强制方法检测继电接触器、变频器、伺服电机和步进电机能否动作；检测主电路是否缺相。（2）分块调试：可分别检测主站与组态软件及子站的通信控制，以及用强制方式调试 2 个子站的运行控制达到要求。将控制和保护两个方面的功能细分成不同的功能小点，验证调试是否成功。确保功能不能缺失，系统不能存在安全隐患。（3）系统调试：系统调试要求确认所有单元、所有回路都已投入系统网络正常运行，并进行了正常的数据通信，确认回路中的仪表部件都已装好并参与了回路调试，其性能，参数符合技术要求。回路已对工艺过程起到了检测控制作用，回路与回路之间、系统与系统之间的信号传送和连锁等相互关系都符合设计和生产要求。结语本系统经过实际调试，达到了预设效果，如投入生产，只需硬件上的安装以及针对规模进行扩展，就能够满足实际生产的需求。图 4 子站 2 顺序功能图图 3 子站 1 顺序功能图表 3 通信数据交换示意表子站 1（SR40）主站 S7-300子站 2（ST30）主站发往从站VB100VB120MB100MB120VB100VB120从站发往主站VB200VB205MB200MB205MB210MB215VB210VB215