西门子S7-200PLC在工业水泵站系统中的应用

一、项目介绍

(1)中国第一汽车集团公司动能分公司西日用水泵站项目是一汽集团公司全面提高中重型车竞争力系统改造项目中的动能配套项目之一，西日用泵站改造完成后，将负责整个中重型车新基地及老厂区一部分的日用水、消防水的供应，作用特别重要，通过本次技术改造，将实现新区及原有工业建筑物日用水的设定压力的恒压供水及消防水的恒压保压及火灾情况下的自动起泵运行，整个系统按完全自动运行无人值班少人值守设计。

(2)项目共使用S7-200系列可编程控制器5台，Micr．ｍａｓｔｅｒ430变频器两台，人机界面TP170A、TP270-10各1台。其中两台可编程控制器及两台75kW变频器分别控制及实现新区及原有建筑日用水的恒压供水。另两台可编程控制器实现新区及原有建筑的消防水的自动供应及连锁控制。还有1台可编程控制器实现消防气压给水设备消防水系统的恒压保压及消防系统控制。

图1  运行中的西日用水泵站部分水泵设备

图2运行中的部分电气及控制设备

二、系统介绍

1．系统简要工艺介绍

(1)给水泵系统工艺概况

给水泵系统组成：75kW/380V给水泵数量：四台，1#、4#及2#、3#各成一个系统，即新系统、旧系统。新系统与旧系统的工艺要求是相同的，变频启动第一台给水泵对管道系统充水，同时打开各车间生产生活给水系统管道排气阀，将管道内空气排净（手动操作）。正常生产时一台泵变频运行或一台变频一台工频运行。自动调节变频保证出口母管压力恒定，压力误差不超过O.OIMPa。当蓄水池水位到达消防不动用水位时，自动停止所有生产生活水泵运行，且手动启动按钮不能启动。

(2)消防泵系统工艺概况

消防水泵系统组成：75kW/380V消防水泵一台（旧消防水系统），37kW/380V水泵两台（新消穷水系统）。运行工艺要求：正常时消防系统保持设定压力，如果压力不够有气压补水系统自动补水，当出现火警信号时（由消防报警中心或消防气压给水设备提供）自动启动消防泵（泵台数、泵编号可设定）运行。定时启动消防主供水泵运行，每台泵每次运行时间为5min，间隔周期为1个月，自动监测消防水系统压力，运行期间不得超压，以防管道破裂。

2．项目当中使用的西门子自动化产品的型号、数量及控制对象。

三、控制系统构成

1、日用水系统工艺原理，电器及自动化配置图

图3 日用水系统工艺原理、电器及自动化配置图 

日用水系统包括新日用水系统及旧日用水系统，两套系统控制方案基本相同，唯一差别是模拟量采集不同。

旧日用水系统采集的模拟量：旧日用水母管压力、东水库水位、变频器输出频率、变频器输出电流。

新日用水系统采集的模拟量：新日用水母管压力、新消防水母管压力、变频器输出频率。

2.新消防水系统工艺原理、电气及自动化配置图

图4新消防水系统工艺原理、电气及自动化配置图

3．旧消防水系统工艺原理、电气及自动化配置图

图5  旧消防水系统工艺原理、电气及自动化配置图

4．系统网络结构图 

图6系统网络结构图

四、控制系统完成的功能

1．日用水系统实现的功能

日用水系统主要负责厂房内工业与生活用水的供应，并根据新系统与旧系统的不同要求实现恒定水压供应，系统实现的主要功能。

A：模拟量的数据采集及采用32次平均值滤波的输入值处理。实现水位的上限报警，下限停泵及闭锁，压力的上下限控制及数据传递。

B：PID调节及根据PID输出值调节的自动起停泵控制。

C：泵的电气起停控制，可自动，手动控制，在自动控制状态下，系统根据母管压力自动控制泵的起停控制及变频器的频率调节：在手动状态下，可实现一台泵的变频手动调节及一台泵的工频运行或两台泵的工频运行，运行方式特别灵活，手动状态下的频率调节通过变频器安装在柜门上的BOP面板控制，但是不管在什么状态下，变频器起停控制都是通过端子控制的，BOP面板仅进行频率调节。

D：采集空开、接触器、热偶、变频器状态实现逻辑控制、数据传递及故障报警。

E：两台泵运行累计时间的均衡控制。

2．新消防水系统实现的功能

新消防水系统由消防气压泵及消防主泵组成，正常运行时由消防气压泵自动补水，防止管刚泄露造成压力下降。火警时自动启动消防主泵运行。

A：消防气压泵自动运行及电气控制。

B：消防主泵的电气起停控制，两台泵共用一台软启动器实现两台泵的软起软停控制，正常运行方式下，两台泵均运行在软起软停方式，非常情况下，可运行在工频直起，以保证系统的连续稳定运行。

C:火灾情况下，实现消防泵的自动启动及超压情况下的自动停泵。

D:定时自动短时运行水泵，防止长期不运行泵锈蚀。

E：采集空开、接触器、热偶、变频器状态实现逻辑控制、数据传递及故障报警。

3．旧消防水系统实现的功能

实现功能基本同新消防水系统，但唯一不同的是：由于旧消防水系统只有一台泵，所以有一个连锁功能，即泵故障不能运行时，连锁打开与新日用水或新消防水的液动阀。

4．通过HMI通讯实现的数据传递

本系统的最大特点是完全基于网络而又不依赖于网络，  PLC之间数据通讯的实现是系统的难点，而系统采用通过HMI实现数据通讯是系统的亮点及创新之处。

本系统的通讯量大而复杂，比如水库水位，有东水库水位、西水库水位，但不管是东水库水位，还是西水库水位，数据采集只能一点，但在所有PLC上都必须使用这个数据，不可能有多少需要数据地点就设多少个传感器，所以东水库水位在新日用水泵系统PLC采集，西水库水位在旧日用水泵系统PLC采集，水位数据必须由通讯实现新日用水泵系统、旧日用水泵系统、新消防水泵系统、消防水泵系统、气压消防给水系统的数据随采集数据的变化而在所有系统中同步更新，实现水位降低至消防不动水位时停止所有运行于该水库的日用水泵，当水库达到零水位时，停止所有运行于该水库的消防水泵，并进行故障报警。为了实现所有功能，系统进行了三次设计，第一次设计通过PLC通讯实现数据传递，但编程特别复杂，最后放弃；第二次采用接点传递数据，但需要增加大量的控制线，最后采用通过HMI传递数据实现数据通讯，没有一根控制线，况且编程简单，这是本系统的创新之处。

需要传递的数据主要是：东水库水位、西水库水位、旧日用母管压力、新消防母管压力、消防连动信号，其主要功能如表1所示： 

表  1

每一个系统都有许多电气报警和热工报警，所有的报警由TP270显示，同时形成一个故障总信号，统一传递到新消防水系统，向外输出一个接点带报警铃及报警灯，提醒值班人员注意。

5．通过HMI数据通讯功能实现方法

在PROTOOL/PRO CS程序“变量”设置中，选择“功能”项，为事件选择功能为“改变数值”项，然后在选择对象功能中选择“计算，设置数值”项，图中所示将“PT 1”发生变化时，赋值给“S7200_2”的“PT一2”，“S7200_3”的“PT一3”，这种添加可以达到10多个，方法特别简单。对于模拟量可以按这种方法添加，对于开关量可以使用“编辑位一置位”的方法添加。

对于具体操作步骤可以参看Protool/Pro CS的帮助文件，也可以您自己具体操作一下，你将发现这种方法特别简单方便。

图7模拟量数据传递编程图

五、结束语

系统自今年7月20日投入运行以来，系统运行稳定、方式灵活，达到了设计功能。

整个系统是一个经济型的小型网络控制系统，所有控制策略的实现是完全基于MPI网络而又不依赖于网络，柜与柜之间没有一根控制线，真正体现SIEMENS现场总线在工业控制应用中的优势更何况数据交换的实现是一个基于HMI的数据交换，编程开发特别简单，功能强大，充分体现S7-200这样一种经济型CPU与HMI结合的强大优势。

参考文献

1．台方主编，可编程序控制器应用教程

2．西门子公司，S7-200系统手册

3．西门子公司，Micr．master430风机泵类专用型变频器使用大全