基于組態(tài)軟件實現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控設計方案

一．本論文研究的背景

如何對一個系統(tǒng)進行有效的管理和應用，而又不必有過多的投入，充分利用現(xiàn)代計算機技術的應用和發(fā)展。減小一些硬件的投入，通過軟件實現(xiàn)硬件的功能。這就產(chǎn)生了“組態(tài)”這種技術，它充分的利用了計算機技術，又對硬件進行了有效的管理。同時也減小了一些硬件的投入。以這種“組態(tài)”技術為依托，人們發(fā)明了“組態(tài)”軟件。組態(tài)軟件構成的網(wǎng)絡可以聯(lián)網(wǎng)，它的兼容性比較強，不像專業(yè)plc構成的網(wǎng)絡。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)上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計的過程中，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)軟件編寫上位機監(jiān)控系統(tǒng)程序。

3. 對系統(tǒng)進行了調(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)軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡功能。組態(tài)（configuration）意思就是模塊的任意組合，采用組態(tài)技術構成的計算機系統(tǒng)在硬件設計上，除采用工業(yè)pc機外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的i/o接口設備和現(xiàn)場設備，基本不再需要單獨進行具體電路設計。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。在軟件設計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（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復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、人機界面技術、數(shù)據(jù)庫技術、控制技術、網(wǎng)絡與通信技術，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體的計算機語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控程序設計，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展性、兼容性，軟件結構開放，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，工程設計人員不用再設計那些復雜的應用程序（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、轉換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。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，作為低水位報警用。通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠傳壓力傳感器將壓力信號轉化為4-20ma的標準信號送入plc，經(jīng)pid運算與給定壓力參數(shù)進行比較，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，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以壓力設定值為基準的閉環(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責生活用水，當消防系統(tǒng)啟動時，生活用水水泵立即停止運行，消防泵立即投入運行，并按設定壓力對消防水泵進行變頻調(diào)速。消防系統(tǒng)警報解除后，生活泵再投入運行。

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：三臺電機為m1、m2、m3.接觸器km1、km3、km5分別控制m1、m2、m3的工頻運行，接觸器km2、km4、km6分別控制m1、m2、m3的變頻運行，fr1、fr2、fr3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器，qs1、qs2、qs3、qs4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關，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：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(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)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入cpu運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應用的電動機調(diào)速裝置均采用交流變頻技術，而系統(tǒng)的控制裝置采用plc控制器，因plc不僅可實現(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)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控。如圖1-3為其下位機的控制原理。

② 上位機監(jiān)控原理

上位機即是我們通常用的計算機，它也可以對系統(tǒng)進行監(jiān)控，但是要在組態(tài)以后，才能對系統(tǒng)進行監(jiān)控。這是一個數(shù)據(jù)進行交換的過程。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進行數(shù)據(jù)。這樣的情況與才能用組態(tài)軟件進行監(jiān)控系統(tǒng)。并完成系統(tǒng)運行工況的crt畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。能夠?qū)ο到y(tǒng)運行進行操作，具用實時報警、報警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網(wǎng)，實現(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)濟運行的手段。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、簡單畫面設計、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)王知道外部設備的狀態(tài)，以及能夠輸出控制信號，需要建立相應的變量。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的內(nèi)存變量。以便組態(tài)王能夠與s7-200進行數(shù)據(jù)交換。單擊“數(shù)據(jù)庫”大綱項下面的“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，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”，變量類型設置為“i/o離散”，連接設備設置為“新i/o設備”，寄存器設置為“i0.0”，數(shù)據(jù)類型設置為“bit”，讀寫屬性設置為“只讀”，采集頻率設置為“100ms”。如圖1-4所示。

② 簡單畫面的設計、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)王需要在運行時根據(jù)現(xiàn)場設備的情況來進行監(jiān)控。同時給下位機寫入運行參數(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)低恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)高恒壓值運行，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)運行時間超過設定的切換時間，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）要有完善的報警功能；

（6）對泵的操作要有手動控制功能。手動只在應急或調(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，對水箱進行注水;

（8）水位上升到上限，則關閉開水閥;

（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)王設計的監(jiān)控程序能顯示和設定系統(tǒng)工作狀態(tài)、參數(shù)，能對系統(tǒng)進行操作，具有實時報警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。

根據(jù)這寫出的應用程序如下圖1-6所示。

經(jīng)過這幾個步驟，基本上完成了系統(tǒng)組態(tài)，但要對其進行調(diào)試。在組態(tài)王運行系統(tǒng)里，仔細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，如果變量設置錯誤，對象參數(shù)設置錯誤，動畫連接錯誤，表達式錯誤，命令語言錯誤等。通過“畫面-退出 ”菜單項，可以退出組態(tài)王運行系統(tǒng)，同時也可以通過“系統(tǒng)設置”退出系統(tǒng)。回到工程瀏覽器或者組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)，做出相應的修改后再次進入組態(tài)王運行系統(tǒng)進行觀察，這需要反復多次才能使得系統(tǒng)工作完全正常。

七．總結

本論文完成了用組態(tài)王軟件對恒壓供水系統(tǒng)上位機監(jiān)控的功能。它實現(xiàn)了恒壓供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控，能顯示和設定系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)，能對系統(tǒng)運行進行操作，具有實時報警、報警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。可以說大大提高了自動化水平?？梢院芎玫姆沼谌藗兊娜粘Ｉ?。

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。