基于組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控設(shè)計(jì)方案

一．本論文研究的背景

如何對一個系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理和應(yīng)用，而又不必有過多的投入，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。減小一些硬件的投入，通過軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能。這就產(chǎn)生了“組態(tài)”這種技術(shù)，它充分的利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，又對硬件進(jìn)行了有效的管理。同時也減小了一些硬件的投入。以這種“組態(tài)”技術(shù)為依托，人們發(fā)明了“組態(tài)”軟件。組態(tài)軟件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以聯(lián)網(wǎng)，它的兼容性比較強(qiáng)，不像專業(yè)plc構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它與 internet聯(lián)網(wǎng)不大容易。組態(tài)軟件可以充分利用電腦的資源。

二．本論文完成的工作

在基于kingview組態(tài)軟件的供水控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，本論文主要作了以下的工作：

1. 知道了無塔恒壓供水系統(tǒng)的工藝過程和常規(guī)電氣控制系統(tǒng)的工作原理。

2. 熟悉了kingview組態(tài)軟件的編程環(huán)境、編程方法和用kingview組態(tài)軟件編寫上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序。

3. 對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和編寫控制系統(tǒng)使用操作說明書。

三．組態(tài)軟件的介紹

組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。組態(tài)（configuration）意思就是模塊的任意組合，采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上，除采用工業(yè)pc機(jī)外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的i/o接口設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備，基本不再需要單獨(dú)進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)。這不僅節(jié)約了硬件開發(fā)時間，更提高了工控系統(tǒng)的可靠性。在軟件設(shè)計(jì)上由于采用成熟的工控開發(fā)的工具軟件，它為用戶提供了多種通用工具模塊，用戶不需要掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能。

工控組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體的計(jì)算機(jī)語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控程序開發(fā)的難度。組態(tài)軟件均具有良好的擴(kuò)展性、兼容性，軟件結(jié)構(gòu)開放，可接受各種形式的數(shù)據(jù)格式。同時，支持的硬件類型也十分廣泛。工控組態(tài)軟件的出現(xiàn)，使得大型工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)編程變得十分得簡單、容易，工程設(shè)計(jì)人員不用再設(shè)計(jì)那些復(fù)雜的應(yīng)用程序（如i/o driver等）。工控組態(tài)軟件的功能包括數(shù)據(jù)庫生成、歷史庫生成、圖形生成、報(bào)表生成、順序控制功能、連續(xù)調(diào)節(jié)功能。目前有許多工控組態(tài)軟件。例如：intouch、fix、citech、wincc、controx（開物）、force control（力控）、組態(tài)王。

四．恒壓供水系統(tǒng)介紹

下面以一個三臺泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程（已做過簡化），它主要是由plc、變頻器、壓力傳感器、水泵斷路器、接觸器、中間繼電器以及水泵等組成。用戶通過控制柜上的指示操作面板上的指示燈、td-200顯示屏及按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。如圖1-1所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器eq來控制注水閥yv1，它們自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱內(nèi)注水。水池的高/低水位信號也接送給plc，作為低水位報(bào)警用。通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠(yuǎn)傳壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為4-20ma的標(biāo)準(zhǔn)信號送入plc，經(jīng)pid運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使系統(tǒng)的供水管網(wǎng)壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時，通過plc控制器加泵。根據(jù)用戶用水量的大小來控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以壓力設(shè)定值為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是很大。生活用水和消防用水共六臺泵，其中三臺消防泵，另外三臺是生活泵，平時由三臺生活泵負(fù)責(zé)生活用水，當(dāng)消防系統(tǒng)啟動時，生活用水水泵立即停止運(yùn)行，消防泵立即投入運(yùn)行，并按設(shè)定壓力對消防水泵進(jìn)行變頻調(diào)速。消防系統(tǒng)警報(bào)解除后，生活泵再投入運(yùn)行。

以生活供水這一個系統(tǒng)的電氣控制為例，其電氣控制部分主電路原理圖如圖1-2所示：三臺電機(jī)為m1、m2、m3.接觸器km1、km3、km5分別控制m1、m2、m3的工頻運(yùn)行，接觸器km2、km4、km6分別控制m1、m2、m3的變頻運(yùn)行，fr1、fr2、fr3分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器，qs1、qs2、qs3、qs4分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)，fu1為主電路的熔斷器，vvvf為簡單的一般變頻器。

五．雙恒壓無塔供水系統(tǒng)原理

① 下位機(jī)控制原理

恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制原理是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入cpu運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用plc控制器，因plc不僅可實(shí)現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字pid調(diào)節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)控。如圖1-3為其下位機(jī)的控制原理。

② 上位機(jī)監(jiān)控原理

上位機(jī)即是我們通常用的計(jì)算機(jī)，它也可以對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，但是要在組態(tài)以后，才能對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。這是一個數(shù)據(jù)進(jìn)行交換的過程。我們要利用組態(tài)軟件有數(shù)據(jù)交換的功能。通過一根電纜，使它與plc進(jìn)行數(shù)據(jù)。這樣的情況與才能用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)。并完成系統(tǒng)運(yùn)行工況的crt畫面顯示、故障報(bào)警及打印報(bào)表等功能。能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行操作，具用實(shí)時報(bào)警、報(bào)警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。這樣的監(jiān)控更加的簡單，人們一看就能夠理解。

六．恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)過程

組態(tài)王組態(tài)過程要經(jīng)過定義變量、簡單畫面設(shè)計(jì)、編輯與動畫連接和命令語言程序編寫。下面介紹一下這幾個過程。

① 定義變量

要組態(tài)王知道外部設(shè)備的狀態(tài)，以及能夠輸出控制信號，需要建立相應(yīng)的變量。根據(jù)i/o變量表，我們需要建立3個i/o輸入變量，12個i/o輸出變量。同時也要建立一些相應(yīng)的內(nèi)存變量。以便組態(tài)王能夠與s7-200進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。單擊“數(shù)據(jù)庫”大綱項(xiàng)下面的“數(shù)據(jù)詞典”成員名，然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)雙擊“新建”圖標(biāo)，出現(xiàn)“定義變量”窗口。在“基本屬性”頁中輸入變量名“生活/消防控制信號”，變量類型設(shè)置為“i/o離散”，連接設(shè)備設(shè)置為“新i/o設(shè)備”，寄存器設(shè)置為“i0.0”，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為“bit”，讀寫屬性設(shè)置為“只讀”，采集頻率設(shè)置為“100ms”。如圖1-4所示。

② 簡單畫面的設(shè)計(jì)、編輯與動畫連接

用戶可以充分利用組態(tài)提供的各種繪圖工具、圖庫來制作畫面，使得畫面能夠逼真地反映控制系統(tǒng)的工作狀況，并且可以通過畫面操作控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。如圖1-5所示。動畫連接建立了數(shù)據(jù)中的變量與圖形畫面中的圖素之間的關(guān)系。只有建立了動畫連接，才能將數(shù)據(jù)中的變量信息反映到圖形畫面中來，或者從圖形畫面控制這變量。

③ 命令語言程序編寫

組態(tài)王需要在運(yùn)行時根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的情況來進(jìn)行監(jiān)控。同時給下位機(jī)寫入運(yùn)行參數(shù)。具體的控制要求如下，我們根據(jù)控制要求編寫應(yīng)用程序。對總數(shù)為六臺泵的生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是：

（1）生活供水時系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行，消防供水時系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行，生活用水時用生活管道，消防用水時用消防管道，兩種供水方式走不一樣的管道；

（2）生活/消防各使用三臺泵，并根據(jù)各自的需要設(shè)定壓力，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出；

（3）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運(yùn)行時間超過設(shè)定的切換時間，則要切換到下一臺泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺泵工作時間過長；

（4）三臺泵在啟動時要有軟啟動功能；

（5）要有完善的報(bào)警功能；

（6）對泵的操作要有手動控制功能。手動只在應(yīng)急或調(diào)試時臨時使用;

（7）如果水位低于下限，則打開開水閥，使市網(wǎng)水管的水流入水箱，對水箱進(jìn)行注水;

（8）水位上升到上限，則關(guān)閉開水閥;

（9）水位從上限下降到下限之前，開水閥不工作;

（10）采用組態(tài)王設(shè)計(jì)的監(jiān)控程序能顯示和設(shè)定系統(tǒng)工作狀態(tài)、參數(shù)，能對系統(tǒng)進(jìn)行操作，具有實(shí)時報(bào)警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。

根據(jù)這寫出的應(yīng)用程序如下圖1-6所示。

經(jīng)過這幾個步驟，基本上完成了系統(tǒng)組態(tài)，但要對其進(jìn)行調(diào)試。在組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)里，仔細(xì)觀察各個信號是否正常，如果有不正常的情況出現(xiàn)，分析可能存在的原因，如果變量設(shè)置錯誤，對象參數(shù)設(shè)置錯誤，動畫連接錯誤，表達(dá)式錯誤，命令語言錯誤等。通過“畫面-退出 ”菜單項(xiàng)，可以退出組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)，同時也可以通過“系統(tǒng)設(shè)置”退出系統(tǒng)。回到工程瀏覽器或者組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)，做出相應(yīng)的修改后再次進(jìn)入組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行觀察，這需要反復(fù)多次才能使得系統(tǒng)工作完全正常。

七．總結(jié)

本論文完成了用組態(tài)王軟件對恒壓供水系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控的功能。它實(shí)現(xiàn)了恒壓供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控，能顯示和設(shè)定系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)，能對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行操作，具有實(shí)時報(bào)警、報(bào)警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能?？梢哉f大大提高了自動化水平?？梢院芎玫姆?wù)于人們的日常生活。

但本論文組態(tài)的恒壓供水系統(tǒng)也存在一些不足，不能隨便開啟任一臺水泵，這要通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)。由于本人水平有限，沒有編寫出這些程序。它只是監(jiān)控哪一臺水泵起動了。