西门子S7系列PLC在恒压供水系统中的应用

介绍s7系列西门子plc在恒压供水系统中的应用案例。
1 引言
实现城市21世纪经济可持续发展战略，水资源是重要保障条件。只有加强水资源的统一管理，合理开发利用，才能促进经济的可持续发展。目前我国泵站效率低，供水运行仍处于较落后的管理状态，水资源浪费现象十分严重，不能适应现代社会发展的需要。供水网络引入计算机等先进技术，提高泵站管理水平，采用供水优化调度，不仅能节省大量能源，而且使管网能在合理的状态下运行，既保证供水的要求，也能使管网在最佳状态下运行。因此，如何科学地规划新的或改建旧的供水系统，如何科学地进行供水调度，是摆在人们面前的一个需要解决的问题。

国外的供水系统调度运营普遍利用计算机完成，这一系统称之为监控系统。其功能是通过遥讯系统，把应保证的供水系统关键点的实际压力值遥测采集到监控中心，利用计算机进行计算、预测和决策，然后遥控调整供水，来保证供水系统的关键点达到水量保证值。同时在供水系统发生爆管、漏水等事故时，可以自动进行分析做出合理的处理决策，以保证系统安全、经济的运营.

2 系统概述

整个供水系统主要包括两大部分：水源地引水采集系统及水厂恒压输水系统。

水源地引水采集系统主要由6组现地供水井群组成。每组供水井群由一个现地井群集中控制室及5眼水井组成,每眼水井有一现地控制井房。现地井群集中控制室设有本组水井高低压配电系统及本组水泵启停集中控制系统。5眼水井分别为1眼深井及4眼浅井，编号分别为1#、2#、3#、4#、5#井，其中1#及2#井分布在集中控制室，3、4、5#井以集中控制室为中心呈分布式分布。

现地6组井群共30眼井的引水通过20余公里的输水管线输送到水厂，再由供水泵群给城市居民供水。

水厂控制网络主要由总控室中心、高低压配电系统、蓄水池、加药泵房、二泵房组成。其中总控室中心是整个系统的核心。二泵房共有5台供水泵组成，其中55kw变频泵1台，75kw变频泵2台，75kw软启泵2台，主要完成对城市的变频恒压供水；总控室中心作为整个供水系统的监控调度中心，负责整个供水系统的5台输水泵及30眼水井泵的集中调度与控制。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

3 控制系统设计方案

3.1设计依据

（1）系统设计能力为5万吨/24小时，平均供水2083.3立方米/小时；

（2）水源地有30个水泵供水，其中6台水泵分别由30kw的电机驱动，24个水泵由11kw的电机驱动；

（3）水厂有2个5000立方米的蓄水池，共计10000立方米；

（4）最终控制对象是水厂蓄水池水位及出水口压力；

（5）水源地与自来水厂蓄水池的距离为20公里；

（6）每个单井泵的运行要求有手动、自动和远程控制三种方式；

（7）每5个单井为一个井群，每一井群设一本地集中控制室，统一协调各单井泵的运行，实现泵群的联网优化运行；

（8）水厂设一总控室，作为远程监控站点，实现远程集中管理和调度。

3.2设计原则

（1）先进性原则：控制方案功能强、技术先进、合理。采用先进的体系结构，选用先进成熟的技术和设备及软硬件平台，营造高起点的系统开发与应用环境，使系统能随着科学技术的发展而不断平滑升级。

（2）安全性、可靠性原则：设备运行可靠、性能稳定。方案中所选择的每个元件和设备其mtbf必须满足系统运行要求；设备应具有自检、自诊断功能；系统应能及早发现设备故障，避免发生事故，局部故障不造成错误输出，并能自动报警；现地单井站应具有必要的冗余配置；信息采集及控制输出，要考虑多重软件硬件闭锁。

（3）实用性原则：应充分考虑利用资源，能使用户最方便地实现各种功能。实现供水泵运行优化合理调度；充分考虑用户的使用频度和应用程度，设置系统控制流程、合理设计存储和服务体系，使操作、维护简单方便www.1000ji.com。

（4）经济性原则：采用最合理的方案，最大程度的保护厂方原有的投资。使设备运行经济节能、运行维护费用低；达到最优的性能/价格比。

（5）开放性原则：系统设计应采用开放技术、开放结构、开放系统组件和开放用户接口，以利于网络的维护、扩展升级及外界信息的沟通，易于扩展，以降低二次投资。

（6）灵活性原则：采用积木式模块组合和结构化设计，使系统配置灵活，满足系统逐步到位的建网原则，使网络具有强大的可增长性和强壮性，。

　3.3设计思路

水厂水源地引水及变频恒压供水系统总体按以下几部分来设计：

（1）水源地取水。在水源地分布有30眼水井，由30台水泵进行输水。每台水泵的引水启停、运行时间分为三种方式控制：手动、本地集中及远程。手动控制：即水泵的启停完全由人工现场控制；本地集中：即水泵的启停受本组井群的本地集中控制系统控制；远程：即水泵的启停受远程中心控制系统的总体控制。

本部分主要又分以下几个单元：

a.现地站单井控制系统；

b.现地站井群控制系统；

c.上位中心控制系统；

d.现地站网络通讯系统；

e.中心站与现地站无线网路通讯系统。

（2）水厂蓄水。水厂将水源地来水蓄积在2个蓄水池内，每个蓄水池均有一个水位计监测蓄水池水位。水源地井泵的启停以水厂蓄水池的水位为控制目标。

（3）水厂变频恒压供水。通过二泵房5台供水泵向城市供水。本部分主要包括以下几个单元：

a.水厂信号采集系统；

b.二泵房电气供电系统；

c.二泵房控制系统。

（4）总控室中心控制系统。所有水源地单井泵的启停供水以及水厂输水泵的变频恒压输水均由总控室中心控制系统来控制，实现整个系统的合理调度、管理及监控。

3.4主要设备选型

3.4.1可编程序控制器plc

可编程序控制器plc选用siemens可编程控制器s7-200及s7-300。

s7-200系列可编程控制器，是西门子公司的小型plc，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂的控制功能。s7-200系列plc出色的表现在以下几个方面:极高的可靠性，及丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的oo内置集成功能块，实时特性，强劲的通信能力，丰富的扩展模块。s7-200系列在集散自动化系统中发挥其强大的功能。使其范围可筱盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自控化控制。特别是在分布式控制系统中，其作为远程现场控制单元，应用领域极为广泛，覆盖所有于自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。

s7-300系列可编程控制器，用于多机架配置时连接主机架(cr)和扩展机架(er)。s7-300通过分布式的主机架(cr)和3个扩展机架(er)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。能在不到0.6－0.1ms时间内处理1024条二进制语句。由于纯粹的二进制命令是不多见的，因此提供混合操作时的处理速度：用65％二进制语句和35％字操作，这位锐利的小cpu依旧能在0.8ms内处理1k语句。具有高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，有最高的工业环境适应性。

其主要性能：

(1)标准模块构成，包括cpu、电源、输入输出（i/o）和通信模块。

(2)plc具有通讯及编程接口，能够通过现场总线进行数据传输、远方监控和远方组态编程。

(3)plc在脱离上级控制中心后，仍能够对所控制的井泵进行正确、无误地操作。

(4)plc在完成所要求的功能外，有20%的硬件裕量，包括过程信号输入/输出（i/o）容量和内存容量。

(5)plc电源为交流220v。

(6)plc具有高可靠性，能在无空调、无净化设备、无专门屏蔽措施的井房旁正常工作。

(7)plc的输入/输出（i/o）插件为标准单元，同类插件能互换，模块便于更换和维护。

(8)plc的数字输入信号有光电隔离和滤波措施，每个数字量输入和输出都有led指示状态。

(9)plc的i/o接口满足如下要求：

a.数字量输入（di）：由独立的常开或常闭无源接点提供，输入回路由独立电源供电。设接点抖动滤波措施，接点状态改变后，其持续时间为4～6ms以上者，视为有效信息。信号输入都经光电隔离和浪涌吸收回路，光电隔离器能承受1500v(rms)、1min的绝缘水平，如有必要可考虑对从高压设备引入的信号加设中间继电器。每个数字输入端口都有一个led指示器显示其状态。

b.模拟量输入（ai）：一般电气模拟量为4～20ma,接口的输入阻抗小于500ω，现地控制单元具有高精度的内部参考值，以校验a/d转换器在零值和满刻度的读数。可对a/d转换精度自动检验或校正。模拟输入接口参数满足：

√a/d分辩率：12位（可含符号位）；

√转换精度：包括接口和a/d转换，误差小于满量程的±0.1％；

√绝缘耐压：500v(rms)，1min；

√冲击耐压：ieeeswc试验标准。

c.数字量输出(do)：

√数字量输出接点的容量、数量和电压满足控制对象的要求，并留有充分的裕度。仅用于信号显示的开关量输出可直接驱动led指示器，用于反映位置状态或故障信号。

√输出继电器为插入式，带防尘罩，继电器耐压水平：1500v(rms)，1min。

√每一数字输出有led指示器反映其状态。