基于西门子S7-300的小区高层供水系统设计

文｜ 乌鲁木齐水业集团有限公司 张凯旋

一、概述

本系统针对小区高层楼宇供水系统设计，实现小区高楼的供水系统自动控制与漏水检测。在早期，变频器的使用主要在频率控制、升降控制、电机正反转和转速控制等方面，在恒压供水系统中仅作为执行机构而使用。为了满足高层用户的用水需求，在不同的用水量状态下保证供水管网压力恒定，供水时需与压力传感器共同组成闭环系统进行压力控制。这种方式需要一台变频器拖动一台水泵，虽然成本较高但是易于与其他软件进行组态，所以在某些高层供水系统中仍然在使用。现在，许多变频器厂家已经设计出带有恒压供水功能的变频器，只要使用配套的恒压供水模块便可直接控制多个内置接触器工作，可以最多拖动7台电机，降低了成本。但是，其输出接口不够灵活，与其他的监控系统和组态软件兼容性差，难以实现有效通讯，故在实际使用时受限较多。据统计，现在城市用水的40%是由于漏水而导致的，所以本系统的漏水监测有重要意义。在本系统中，下位机采用西门子S7-300系列的PLC进行对系统的控制，上位机采用组态王软件来实现画面的实时监控。

在本系统中，所有测控数据均传输至值班室，并可以通过值班室的以太网使用WEB发布到互联网。测控室配备两台工控机，实现双机热备份。同时，可以将测控数据推送到用户手机APP，便于用户监控自己家中的水管状态。本系统设计在所有用户端之前有一个压力传感器和流量计，所有用户端之后也有一个压力传感器和一个流量计，还有两个由变频器控制的水泵，均含有手动自动的选择功能。系统控制要求通过对两个水泵的起停和功率大小调节来维持用户后和用户前的两个压力表之间的压力差恒定，从而保证用户端的水压充足且不会压力过大导致管道破裂。每个用户之前也有一个压力传感器和流量计，还有一个可以控制开度的电磁阀。通过每个用户端的压力传感器和流量计可以实时监控每个用户端的状态，如果出现漏水可以及时向值班室报警（包括漏水用户对应的蜂鸣器和监控画面报警），并将警情通过GPRS以短信的方式或手机APP推送至用户手机（使用GPRS发送短信是为了防止用户手机不联网或将APP后台清理），从而做出及时处理。系统的点表统计如表1所示（因篇幅所限有所简略）。

二、整体设计框架

系统的整体设计框架如图1所示。每栋楼设计一个PLC站，通过4～20mA信号采集模拟量，高低电平控制开关量。同时通过工业以太网配合光缆将采集的数据传送到小区内的监控值班室，值班室内配备两台工控机作为服务器，形成双机热备份。系统可以通过值班室的宽带网络将数据上传至云端，用户可以通过手机APP来查看自己家里的水管流量和压力。如果有漏水，则值班室内漏水用户对应的蜂鸣器会响，提醒值班人员注意；同时会将警情上传至云端，通过GPRS以发送短信的方式告知用户（防止用户手机不联网或将APP后台清理从而不能及时收到报警信息），同样用户也可以直接在手机APP中查看警情。

三、软件/硬件选择

本系统软件系统分为上位机和下位机两部分。上位机采用北京亚控科技有限公司的组态王6.55版编写，下位机软件采用西门子STEP7软件进行编程。

硬件设备选择清单如表2所示（仅一栋楼所需）。

表1 系统点表统计

图 1 小区整体方案框架设计

四、上位机简介

上位机监控画面采用组态王软件进行设计，组态界面如图2所示。在画面中，可以实现如下功能：用户前和用户后的压力差设定；当前压力差的实时显示；高压报警与低压报警；用户端出现漏水时报警提示；所有采集的压力和流量数据实时显示；电磁阀的启动和停止；每个用户端电磁阀开度控制；两个水泵的启动和停止；两个水泵手动控制和自动控制的切换；两个水泵手动控制状态下功率大小设定；实时曲线显示；历史曲线显示和历史数据报表显示和打印；报警记录显示等。与下位机变量连接如图3所示（篇幅所限只截取一部分）。同时，上位机还设计有实时曲线、历史曲线、历史报表、报警窗口等功能，具体如图4至图7所示。其中，在实时曲线、历史曲线、历史报表中用户可以自主选择需要显示的变量，隐藏不需要的变量。在监控室中配备两台工控机形成双机热备份，防止意外发生造成数据丢失。

表2 系统硬件设备清单

图2 主监控画面

图3 上位机与下位机变量连接

图4 实时曲线窗口

图5 历史曲线窗口

图6 历史报表窗口

图7 报警记录窗口

五、下位机程序介绍

下位机程序编写使用STEP7组态软件，CPU型号选用314C-2 PN/DP，因为该型号CPU带以太网接口，与电脑通讯较为方便。且该型号CPU带24路DI、16路DO、5路AI、2路AO，若现场对测控点数有少量增加时可直接使用这些点，不必对整体设备选型有较大改动。编程语言采用梯形图与语句表相结合的方式，使用梯形图因为逻辑控制较多，用梯形图编程逻辑清晰；使用语句表因为语句表有梯形图不具有的循环功能，省去了大量录入地址的机械工作，使编程更为有效。

PLC程序由以下部分组成：主循环组织块OB1、用户端多路模拟量采集功能块FC1、主控功能块FC2、用户前后的流量和压力采集功能块FC3、用户端限流电磁阀AO输出功能块FC4、漏水监测功能块FC5。其中，在OB1中调用FC1～FC5；在FC1中实现对用户端的流量、压力采集和处理。在FC2中实现对两个水泵的控制，当主水泵的功率足够时仅使用主水泵；当主水泵的功率不能满足水压要求时开启副水泵并将主水泵功率保持在70%；当主水泵达到70%同时副水泵满功率输出还不能达到压力要求时，则报警提示值班人员进行手动控制，手动逐步提升主水泵的输出功率。FC3中实现用户前和用户后的两个压力和两个流量的数据采集。FC4实现对用户端的电磁阀开度控制，当第二个水泵以最大功率输出且没有值班人员进行手动控制时，则限制用水量大的用户的流量以保证其他用户的用水。电磁阀开度控制方法为：先用限制流量除以实际流量，将计算结果减去1，若此时结果大于0则用户当前流量小于限制流量，电磁阀全开；若此时结果小于0则用户当前流量大于限制流量，电磁阀的开度为此时计算结果取绝对值后乘27648（27648为模拟量对应的数字量的上限）。FC5实现对用户端的漏水监测，计算方法为用户端之后的流量加上所有用户端流量（并存储）减去用户端之前的流量，结果若在误差允许范围内则判定为不漏水；若超过判定误差则进行下一步判断：将刚才存储的流量之和减去一楼的用户流量，与存储的值作对比，对其值取绝对值后减去允许误差，若结果大于0则可判断为该户漏水；若结果小于0则再将刚才存储的流量和减去二楼的用户流量，再次与存储结果对比，对其值取绝对值后减去允许误差，若结果大于0则可判断为该户漏水。如此依次取值直至32层用户取值完毕。在FC2中，程序的主体思路是：当电磁阀打开时，延时5秒之后启动主水泵进行对压力差的PID控制；当主水泵功率达到70%时开启副水泵，此时主水泵强制输出70%功率，仅对副水泵进行PID控制。当主水泵输出70%功率同时副水泵输出100%功率时，上位机画面中会进行低压报警并且自动转为手动控制（使用上位机脚本实现），以提醒值班人员注意，避免自动调节水压过大使管道破裂。程序具体流程图如图8所示。

图8 PLC程序设计流程图

图9 Simulink仿真

图10-1 KI=0，KP=10

图10-2 KI=0，KP=5

图10-3 KI=2，KP=5

六、SIMULINK仿真

下位机中的PID参数设定由MATLAB的Simulink进行仿真实现，仿真流程图如图9所示。

调节PID参数时，先将KI设置为0，单独调节KP。将KP设置为10，KI为0时的图像如图10-1所示。

尝试将KP设为5时，图像如图10-2所示。

此时开始调节KI，尝试设为2，图像如图10-3所示。尝试减小KP至2，维持KI不变，图像如图10-4所示。

图10-4 KI=2，KP=2

图10-5 KP=2.6，KI=1.5

图11 PID控制界面

图12 在线PID整定初始参数设定

逐次逐个调节两个参数多次之后，得到最佳波形，此时得到最佳波形，KP=2.6，KI=1.5，如图10-5所示。

在S7-300系列PLC中，西门子提供了在线可视化调节PID参数的功能，在允许震荡的系统中使用PID参数在线整定功能可以方便的修改PID参数，并将结果以可视化的方式展现在屏幕上，省去了在SIMULINK中进行数学建模的麻烦。同时，在窗口中如果选择了自动操作，则可以实现PID参数的自动整定，使PID的使用更为方便快捷，在实际工程中有着较为广泛的应用。具体使用界面如图11、图12所示。

七、控制柜设计

在实际工程中，控制柜的设计在测控系统中非常重要。控制柜的设计在一定程度上影响测控系统的性能好坏。在控制柜中，设备的布局可能会影响到信号传输、核心器件的散热等，不合理的布局会使系统变的不稳定，严重的甚至会引起控制柜内温度过高从而发生火灾。

在本系统中，由于变频器功率比较大，可能对系统稳定造成干扰，故将PLC与变频器分开放在不同的控制柜中。PLC控制柜上半部分从左到右依次放置空气开关（接入220V电源）、24V开关电源、PLC机架，下半部分放置端子排。两个变频器柜设计方案如图13-1、图13-2所示，柜子顶端安装一个散热风扇，上面从左到右依次放置空气开关（接入380V三相电源）、变频器，左侧放置端子排。如此设计可以保证变频器的运行不会对PLC及产生干扰信号，同时变频器可以有良好的散热效果。控制柜中PLC机架接线图如图14-1、图14-2所示（篇幅所限相同的模块接线图纸只给出一个，实际个数见设备清单），变频器的接线图如图15-1、图15-2所示。两台变频器的型号选择均为西门子M430系列。

图13-1 1#变频器柜设计

图13-1 2#变频器柜设计

图14-2 PLC接线图1

图14-2 PLC接线图2

图15-1 主水泵变频器接线图

图15-2 副水泵变频器接线图

八、总结

本系统基本可以满足高楼供水系统的测控需求本文设计的供水系统,根据用水量的多少由PLC控制投运水泵数目，变频调节水泵电机转速，保证供水水压的恒定，从而可以有效地防止管网出现超压而引起设备损坏并且避免供水压力不足的情况；水泵电机可以实现循环软启动，避免了频繁启动时，启动电流对供电系统、配电设备的冲击，延长了电气设备、水泵及管网的使用寿命；实验证明，这种由PLC来实现的变频调速恒压供水系统，不但使水压恒定，节电节水，系统维修工作量小；而且占地面积小，成本低，投资省，操作方便，运行可靠，非常适合于高层建筑和生活小区。