基于Slmatlc S7-200Smart网络通信液位定值反馈控制系统

王攀藻

（四川旅游学院四川成都610100）



基于Slmatlc S7-200Smart网络通信液位定值反馈控制系统

王攀藻

（四川旅游学院四川成都610100）

摘要：酒店供水水箱液位控制是靠干簧管机械控制水泵完成，液位控制误差大，不节能。提出对水箱液位定值进行反馈控制方案，该方案使用SIMATIC S7-200SMART控制器内设PID模块，内部为西门子串口网络通信结构，首先对通信口设置合适参数，其次装载

通信地址，转载伙伴通信区和数据长度，最后读取数据，实现上位机对多个控制器监控，从而控制多个气压水箱液位值。系统实验结果表明，系统在阶跃给定和阶跃扰动的情况下，实现无静差控制，水箱水位在阶跃干扰信号下，保持设定值不变，误差合理，满足指标要求，实现节能、环保和提高水箱寿命。

关键词：液位定值；S7-200SMART控制；网络通信；变频控制

我国大力发展旅游业，星级酒店星罗棋布于景区和城市，旅游旺季游客增多，每天要消耗大量水源，不同楼层分别由各自的水箱供水，长期水箱中的水位控制直接由干簧管水位控制器机械控制水泵工作，达不到理想的控制精度［1］，而且机械零部件容易损坏，耗时、耗能导致水箱寿命缩短。针对这种情况，提出智能液位定值反馈控制系统方案，用SIMATIC S7-200SMART通过网络通信控制系统将多水箱液位稳定在给定值［2］，实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，达到水位控制精度高，节能环保和水箱使用寿命长的目的。

1　SIMATIC S7-200SMART网络通信

S7-200SMART CPU模块是S7-200的升级版，本体集成一个以太网接口和一个RS485接口，通过扩展CM01信号板，其通信端口数量最多可增至3个，可满足小型自动化设备与触摸屏，变频器及其它第三方设备进行通信。

1）串口通信，S7-200SMAT CPU模块均集成一个RS485接口，可以与变频器，触摸屏等第三方设备通信。可通过CM01信号板扩展串口，信号支持RS485，串口支持协议：Modbus RTU，PPI，USS，自由口通信，

2）与上位机通信，通过PC ACESS，操作人员实现通过上位机读取S7-200SMART的数据，对设备监控和数据存档

3）以太网通信，所有CPU模块配备以太网接口，支持西门子S7协议、有效支持多种端连接：可作为程序下载端口；与SMART LINE触摸屏进行通信；通过交换机与多台以太网设备通信，实现数据的快速交互［3-6］，包含8个主动GET/PUT连接，8个被动GET/PUT连接。

2　系统总体设计

整个系统包含计算机控制技术，传感技术、通信技术和电力拖动技术。系统中配备液位变送器对传感器输出信号进行变送，输出电流信号给控制器。为实现信号稳定传输与测量，将4～20 mA的液位信号转换为1～5 V的直流电压信号并加入电容滤波，最大限度排除干扰。

本系统设置上位机监控，利用MCGS组态软件将控制器上传数据收集显示并绘成曲线，通过对过程参数变化曲线的对比，能更直观有效的分析液位值变化情况。

3　硬件部分设计

硬件部分由上位计算机、S7-200SMART控制器、液位水箱、电源控制箱、压力传感器、执行器、水路动力系统组成，如图1所示。

图1　系统硬件结构框图

3.1控制器

S7-200SMART CPU是S7-200的升级版，使用经济型模块CR40，将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型CPU，50 kB存储器具有高速脉冲输出、高速计数（4路10KHZ）和信号板扩充的功能，实时时钟，支持MjcroSD卡，I/ O模块（6个）扩展，配备超级电容，掉电保证时钟正常工作。支持用户程序元素（主程序1个，子程序128个，中断程序128个，嵌套深度：8个子程序级别）；通信端口数：1个以太网口/一个串口（RS485）/一个附加串口；编程设备（PG）：以太网一个。

3.2气压水箱

3个气压水箱外壳坚实耐用，内部充满一定压强的空气。水箱靠水泵充满水后，依靠内部气压为各个楼层供水。由缓冲槽、工作槽、出水槽和溢流管组成，进水时水管中的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经出水槽流出，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定。水箱底部连接有扩散硅压力变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

3.3电源控制箱

电源控制箱包含的主要器件有：漏电保护断路器、交流电压表、二位旋钮开关、各种传感器、变送器和控制信号接口。

3.4检测装置

传感器为扩散硅压阻材料，用于测量由水箱液位高度而产生的压力，为直流24 V供电、4～20 mA变送输出、标准两线制接线、精度0.5级。

3.5执行器

FR-S520SE-0.4K-CHR型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220 V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。变频器通过与THPFSM-2型控制屏配套使用，对液位进行自动调节控制。S7-200SMART采集处理液位信号，通过与输入的给定信号比较，给出控制信号输出，控制变频器频率，从而实现控制变频泵转速调节液位。

3.6水路动力系统

使用磁力驱动水泵型号为16CQ-8P，，三相变频220 V输出驱动，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180 W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，寿命长。

4　软件系统设计

软件系统设计模块化，用STEP7 V4.0编写，分为主程序模块、子程序模块和中断程序模块。报警处理和逻辑运算放在主程序中，液位显示和系统初始化放在子程序中。PID控制的定时采用和输出控制由定时中断模块功能实现。每个模块采用线性化编程，CPU周期性地扫描OB1，使用户程序在OB1内顺序执行每条指令，由于全部指令都放在一个指令块中，程序结构直观。软件程序流程图，如图2所示。

图2　软件系统流程图

5　通信部分设计

5.1通信口设置

SIMATIC S7-200SMART通信中的SMB30和SMB130为自由端口控制寄存器。其中SMB30控制自由端口0的通信方式，SMB130控制自由端口1的通信方式。对SMB30、SMB130进行读、写操作，如下表1所示，这些字节设置自由端口通讯的操作方式，并提供自由端口或者系统所支持的协议之间的选择。

如上程序所示，此段程序是将控制器的自由端口0的通信方式设置为“PPI/主站模式”，

表1　端口读写操作指令

5.2网络读写指令

指令NETR/NETW，用于在西门子S7-200SMART PPI网络中的各CPU之间的少量数据通信。网络读写指令只能由在网络中充当PPI主站的CPU执行，从站CPU不必专门编译通信程序，只须将和主站通信的数据放入数据缓冲区即可，此种通信方式中的主站CPU可以对PPI网络中其他任何CPU进行网络读写操作。

5.3通信程序流程图

上位机和S7-200SMART CPU等组成的通信流程图，如图3所示。

图3　通信程序流程图

6　系统实证和性能分析

基于星级酒店供水系统，两个S7-200SMART控制3个气压水箱，每个水箱分别给星级酒店不同楼层供水。当打开上位机MCGS组态环境，进入西门子网络通信运行环境。被控量为各水箱的液位高度，调试过程上中下水箱的液位稳定在给定值，将压力传感器检测到的水箱液位信号反馈给控制器，两个控制器计算后输出信号，控制变频器的频率，以达到控制上、中、下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统输出为PID控制。变频器参数设置为：P1=50；P79=0；P160=0；P161=1；P182=4（电流）/3（电压）。运行时，给水箱水位输入阶跃设定值10 cm，同时对3个水箱输入阶跃扰动，最后测量值稳定在10.25 cm，误差为1.5%，符合指标要求。输出值OP为100%，比例系数KP=8，积分时间Ki=25 s。变频器的频率稳定在工频。液位数据浏览，如图4所示。液位历史曲线图，如图5所示。

7　结论

本文研究了适用于星级酒店供水部分的水箱液位定值反馈控制系统，提出基于西门子SIMATIC S7-200SMART控制器，以及内部PPI网络通信的系统方案，上位机组态软件与控制器通信，实现对多个水箱水位定值反馈控制，控制器软件系统模块化编程，加入PID子程序，使过程控制结果更加精确。实际验证结果分析得出，水箱液位参数符合指标要求。本系统抗干扰能力强，控制结果水箱液位精度高，能够满足星级酒店企业节能、环保的要求。

图4　水箱液位数据

图5　液位历史曲线图

参考文献：

［1］孙景芝.楼宇智能化技术［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2011.

［2］廖常初. S7-200 SMART PLC应用教程［M］.北京：机械工业出版社，2015.

［3］Kevjn O’Too1e.Next generatjon graphjca1 deve1opment envjronment for test［C］//AUTOTESTCON‘98，IEEE systems Readjness Techno1ogy Conference，New York，1998：145-148.

［4］王志刚，虎恩典，王宁.基于PLC的双容水箱液位串级PID控制的实现［J］.电子设计工程，2014（22）：131-133.

［5］廖常初.西门子通信网络［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［6］Nanju Na，Keechoon Kwon，Changshjk Ham，et a1.A study on water 1eve1 contro1 of PWR steam generator at 1ow power and the se1f -tunjng of jts fuzzy contro11er［J］.Fuzzy Sets and Systems.1995（1）：135-136.

Slmatlc S7-200Smart based on network communlcatlon level feedback control system

WANG Pan-zao
（Sichuan Tourism University，Chengdu 610100，China）

Abstract:The hote1 js on the water tank 1eve1 contro1 reed mechanjca1 contro1 pump，1jqujd 1eve1 contro1 error，and jt js easy to damage. The water 1eve1 constant feedback contro1 scheme，the scheme uses SIMATIC S7-200SMART contro11er jn the PID modu1e，jnterna1 Sjemens serja1 communjcatjon network structure，fjrst set the approprjate parameters of the communjcatjon port，the second 1oadjng address，and accordjng to the number of communjcatjon partners reproduced area 1ength，fjna11y read data，rea1jze PC to mu1tjp1e monjtors thus，contro1 of a p1ura1jty of pressure water 1eve1 va1ue. The experjmenta1 resu1ts show that the system，gjven the system step and step djsturbances jn order to rea1jze，statjc contro1，water 1eve1 step djsturbance sjgna1 jn the order，keep the settjngs unchanged，the error js reasonab1e，to meet the requjrements of energy savjng，envjronmenta1 protectjon，and jmprove the 1jfe of the water tank.

Key words:1eve1；S7-200SMART contro1；network communjcatjons；varjab1e frequency contro1

中图分类号：TN91

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0040-03

收稿日期：2015-06-02稿件编号：201506037

作者简介：王攀藻（1976—），男，四川成都人，硕士，副教授。研究方向：信息技术，计算机控制。