【《城市二次供水控制系统的设计仿真案例》4200字】

城市二次供水控制系统的设计仿真案例目录TOC\o"1-3"\h\u28308城市二次供水控制系统的设计仿真案例 1233531.1功能性分析与系统构成 1193381.1.1功能性分析 1137711.1.2供水系统的构成 1275471.2控制系统组态设计 3148131.2.1控制系统功能 3224491.2.2控制系统I/O分配 475141.2.3供水方案主程序的设计 510601.2.4供水方案自动程序的设计 5104701.2.5供水程序的编程 6281451.3监控系统组态设计 922551.3.1监控系统功能 9118781.3.2人机交互界面设计 101.1功能性分析与系统构成1.1.1功能性分析总体需求如下所示：（1）实现泵站自动化运行无人值守，并且在必要时可以手动操作；（2）按照优化调度后的方案选择水泵投入运行；（3）采集每台水泵启停状态、工作电流等参数；（4）存储、显示、查询泵站监控数据及工作参数；（5）报警界面醒目，可以储存报警记录；（6）采集进出站管道压力及出站流量。供水系统的设计，其重点在于控制系统与监控系统的设计，本系统的控制系统采用的PLC为西门子CPU1516-3，使用的编程与组态软件为TIAPortalV16以及WinCC。1.1.2供水系统的构成供水系统一般由控制面板、PLC、供水设备和传感器构成。首先对于PLC来说，本系统选用的PLC为西门子CPU1516-3PN/DP，搭配的电源为PS25W240VDC_1，以及四个扩展模块DQ16x24VDC/0.5AHF_1、DI32x24VDCBA_1、AI8xU/I/R/RTDBA_1和AI8xU/I/R/RTDBA_1。具体的设备组态如图4-1所示。图4-1PLC设备组态Fig.4-1PLCequipmentconfiguration西门子CPU1516-3PN/DP除了包含有多种创新技术之外，还可以无缝集成到TIA博途中，极大的提高了组态的效率。此外，此款PLC还具有3个Profinet通信接口，其中两个端口具有相同的IP地址，以适应现场通信，第三个端口具有独立的IP地址，同时可以集成到其他网络中。人机交互界面也就是控制面板所选用的是PCStation，对于具体泵站而言也可以选择西门子HMIKTP900精简面板。本文主要是仿真，因此采用的是PCStation如图4-2所示。图4-2交互界面组态Fig.4-2Interactioninterfaceconfiguration供水设备所用的为无负压供水设备，不设水箱与水池，直接与城市供水管网末端相接，有效的利用城市供水余压达到节能的作用。因此为了能够有效利用市政管网余压，只需在用水点压力变大时才需水泵加压。针对此具体案例就不采用PID控制恒压供水，而采用前述所优化调度后的方案进行供水。对于所使用的传感器包括压力传感器以及流量计。压力传感器根据泵站压力为0.1Mpa-0.5Mpa，根据选型经验取到20%余量，因此测压范围应约为0-0.6Mpa。水温范围10oC-25oC，因此根据以上要求选择MIK-P300型压力传感器如图4-3所示。图4-3MIK-P300型压力传感器Fig.4-3MIK-P300PressureSensor其主要技术参数如下：供电电源：24VDC测量范围：0-2Mpa精确度：±0.5%FS长期稳定性：≤0.2%FS/年输出信号：4-20mA对于流量计传感器，选择LDG-SIN流量计，其管径范围为DN10-DN2000，适合绝大多数管道。如图4-4所示。图4-4LDG-SIN流量计Fig.4-4LDG-SINflowmeter其主要技术参数如下：供电电源：220V流速范围：0.1-15m/s精度范围：±0.5%R输出信号：4-20mA1.2控制系统组态设计1.2.1控制系统功能根据总体需求，二次供水控制实验系统主要有供水控制一项任务，通过与其相匹配的TIA博途V16进行编程，实现主程序、开停泵等程序的设计。控制系统如图4-5所示。图4-5控制系统Fig.4-5Controlsystem控制系统主要通过传感器来采集现场数据，将4-20mA电流信号传输给PLC，经过模拟数字信号转换模块后输入给PLC，由PLC结合时间以及压力判断合适的水泵运行方案，通过设定的程序驱动水泵运行。PLC可将已经采集的进站压力、出口压力等信号处理后，经通讯模块传至监控系统，供监控系统采集后使用。1.2.2控制系统I/O分配在进行PLC设备选型的过程中，输入输出点的个数决定了系统的规模程度，点位需要在满足系统要求的前提下留有10%~15%的余量[35]。根据控制系统需求，需要考虑输入输出点数量如表4-1所示。表4-1I/O分配表Tab.4-1TheI/Oallocationtable类型名称I/O口数字量输入电源启动开关DI1停止开关DI2自动模式开关DI3泵1-4开关DI4-9泵1-4故障DI10-13模拟量输入出口进口压力AI1-2测压点压力AI3泵1-4电流AI4-7泵1-4温度AI8-11报警灯AI12数字量输出电源启动开关DO1自动指示灯DO2自动模式运行DO3自动模式运行DO4泵1-4运行D05-8模拟量输出泵1-4频率AO1-4本系统共有输入输出点数37个，其中13个DI，12个AI，8个DO，四个A0，控制相对简单，属于中小型系统。1.2.3供水方案主程序的设计针对本案例设计的供水程序，因在确定方案时已经对出口压力以及流量进行约束，因此只需按照优化得出的方案对供水进行控制。首先在主程序的设计中，利用PLC的基本原理即通过循环扫描往复执行程序。在一个扫描周期中，分别通过供水程序扫描读取结果传输给执行机构以及监控系统实现设备的运行以及各种诊断报警系统来保证设备的可靠性。因此要实现的功能包括：在满足优化调度方案所要求的参数（进口压力，时间）下，由PLC系统控制变频设备以及驱动水泵运行，实现自动切换泵运行方式以及组合方案。当出现需要人工测试或操作等情况时，也能够切换到手动模式进行手动控制。PLC主程序工作流程如图4-6所示。图4-6主程序流程图Fig.4-6Masterprogramflowchart（1）首先判断是否满足启动条件，即电源、开关是否正常运行正常开启；（2）第二步判断是否满足自动运行条件，否，进行手动控制；是，则进入下一步程序；（3）第三步按照所自动设定的优化调度后的方案自动运行；（4）第四步判断程序是否出先故障。否，则返回第二步启动条件判断继续执行。（5）往复循环，通过不断地读取程序实现供水。1.2.4供水方案自动程序的设计根据主程序的设计要求，在满足启动条件以及自动运行条件后，供水系统进入自动控制方式，图4-7为自动运行流程。图4-7自动程序流程图Fig.4-7Automaticprogramflowchart由于使用无负压供水设备的原因，供水系统首先判断进口压力与测压点的压力差大小，若压力差为正，则启动自动模式1直接利用市政管道压力供水；若压差为负，则判断时间是否是在方案一的时间范围内，若不是，则启动自动模式2由变频泵3来供水，若是则按照优化调度的方案开启泵组进行加压供水。1.2.5供水程序的编程根据上述的供水程序设计，通过博途TIA进行编程。（1）首先对于系统运行以及模式的选择程序段，程序如图4-8所示。图4-8系统运行及模式选择程序Fig.4-8Systemoperationandmodeselectionprocedures程序中，当电源启动开关接通时电源启动，并进入手动控制模式，此时手动指示灯亮。当需要进入自动模式时，打开自动模式开关即进入自动模式，此时手动指示灯灭、自动指示灯亮。当有紧急情况发生需要切断系统电源时，只需拨动停止开关即可。（2）手动模式区别于自动模式，当需要改造检修或出现设备故障的情况发生时，需要启动手动模式。对于手动模式下的程序如图4-9所示。图4-9手动模式程序Fig.4-9Manualmodeprogram程序中，在进入手动模式后泵的开启完全需要人工操作，并设定计时器，防止手动操作时的误操作。（3）在自动程序中，影响供水方案变化的因素包括压力以及时间，为了让PLC能够读取当前系统时间而添加一个时间读取转换模块如图4-10所示。图4-10时间模块Fig.4-10Timemodule为了方便进行比较运算，将PLC的系统时区首先更改为（UTC+8：00），再通过RD_LOC_T读取系统时间以及通过T_CONY模块将格式统一更改为一天内的二十四小时。自动模式程序如图4-11所示。图4-11自动模式程序Fig.4-11Automaticmodeprogram程序中，在进口压力压力大于等于测压点压力情况下，满足其他条件，这时启动自动运行状态下的模式1也就是待机状态。当进口压力小于测压点压力时，这时候就需要开启水泵加压，根据时间的不同，选择不同的运行方案。（4）为了防止多线圈输出导致系统出现异常故障，所以自动模式和手动模式下的水泵启动信号都采用内部继电器，继电器统一的在水泵启动程序块中并联来驱动水泵启动，具体程序如图4-12所示。图4-12水泵驱动程序Fig.4-12Pumpdriver（5）为了防止管道压力过大引起管道破裂或水泵电流、电压等异常影响供水系统稳定性以及水泵寿命，设立报警模块来确保在系统出现问题时能够及时的告知操作员，具体程序如图4-13所示。图4-13报警程序Fig.4-13Alarmprogram（6）因为本次设计的系统主要进行测试运行，为了能够通过调整滑块来模拟各种变量的输入，设置一个数值转换模块，具体程序如图1.14所示。图1.14数值转换程序Fig.1.14Numericalconversionprogram1.3监控系统组态设计1.3.1监控系统功能监控系统组态选择WinCC[36]软件作为监控系统组态。其优势在于：其可以集成于TIA博途软件中方便使用，系统的稳定性高；通讯接口丰富，适应多标准PC，操作灵活便捷，可以在多种操作系统使用。在本供水控制系统中，控制系统将现场采集到的相关数据处理后通过工业以太网传输给监控系统，然后通过WinCC组态将供水系统中的设备控制、状态显示、数据显示以及故障报警进行展示。监控系统主要是由PLC采集读取处理相关传感器数据后通过工业以太网传输到WinCC，WinCC通过进行组态设计来使得相关数据展示的更加直观，以便操作人员进行监控操作。监控系统具体结构如图4-15所示。图4-15监控系统结构图Fig.4-15Monitoringsystemstructuredrawing1.3.2人机交互界面设计根据本系统的特点人机交互界面的设计流程如下：项目的创建、通信的建立、变量的创建于定义、监控画面的组态、运行测试等。因为本系统选用的组态软件为WinCC，属于西门子开发的软件，因此可以与PLC编程软件一起集成于TIA博途V16平台中方便使用。在项目创建完成后通过工业以太网使人机界面与下位机完成通信。连接如图4-16所示。图1.16连接视图Fig.1.16Theconnectionview（1）对于一个水务系统来说，安全性十分重要，为了防止出现误操作或故意破坏的情况出现，设置一个用户管理系统就相当重要。一般来说根据人员情况不同，设置权限不同，例如工程师、操作人员和宾客，其所享有的权限就不同，如图4-17所示。图4-17人员权限设置Fig.4-17Personnelpermissionsetting（2）主界面主要展示泵站运行概况、当前时间以及系统各节点压力值，并可以选择开启关闭系统、系统的运行模式以及报警的及时显示。通过组态软件新建画面后，使用工具箱内的图形进行图形组态，并连接相应数字量、模拟量使其通过人机交互界面显示出来。主界面如图4-18所示。图4-18主界面Fig.1.18Themaininterface（3）状态页面主要展示包括系统的运行状态、当前系统时间、各个水泵的运行情况、运行频率、当前运行电流、当前温度以及总流量等。具体的组态流程为通过组态软件新建画面后，使用工具箱内的元素I/O以及基本对象域进行组态，每个I/O域连接相应模拟量使其通过人机交互界面显示出来。状态页面如图4-19所示。图4-19状态页面Fig.4-19Statuspage（4）报警页面使为了保障供水安全所必备的界面，报警界面可以储存事故情况以及系统运行的各种事项。为了保证工作人员可以第一时间看到有关事故情况，专门在主页面以及状态页面增加报警框，当有事故情况发生时，报警框对应的部分就会闪烁红光来提醒工作人员有事故发生，当情况或事故解决后报警框停止闪烁并清空该事故，报警页面则