供水自動(dòng)化計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，以及各種智能儀表的大量涌現(xiàn)，各種工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平得到了很大的提高^［１］。特別是可編程控制器(PLC)出現(xiàn)以后，設(shè)計(jì)者可以將PC機(jī)和PLC結(jié)合起來，充分利用PC機(jī)強(qiáng)大的人機(jī)接口功能、豐富的應(yīng)用軟件和低廉的價(jià)格，組成高性能價(jià)格比的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)周期大大縮短，成本也大大降低。本文以中小型水廠的生產(chǎn)過程為背景，設(shè)計(jì)了一套基于PC機(jī)的供水自動(dòng)化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
1 控制對(duì)象和控制系統(tǒng)功能簡介
目前，我國大部分中小型供水廠均采用兩級(jí)泵站的生產(chǎn)模式，自來水的處理工藝流程如圖1所示。

由一級(jí)泵房從水源地取水輸送到反應(yīng)池進(jìn)行加礬、沉淀、消毒和過濾等處理，最后由二級(jí)泵房加壓輸送到公共管網(wǎng)供水。作為廣大中小城市自來水的生產(chǎn)者，供水廠大多存在以下一些問題：
(1)取水和供水控制一般為人工控制，自動(dòng)化水平較低，對(duì)需求反應(yīng)不及時(shí)；
(2)大多數(shù)大功率電機(jī)還是采用較為落后的啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流較大，對(duì)管網(wǎng)造成較大沖擊；
(3)在用水高峰期時(shí)供水流量普遍不足，管壓偏低，造成高層建筑斷水；而在用水低峰期時(shí)，管壓較高，既容易引起爆管事故又嚴(yán)重浪費(fèi)水、電資源。
(4)設(shè)備事故隱患較多，管理困難。
根據(jù)葉片泵的原理，改變?nèi)~片泵轉(zhuǎn)速n，可使水泵流量Q、軸功率N按相應(yīng)的規(guī)律改變。

根據(jù)以上公式可知電機(jī)所消耗的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此采用變頻調(diào)速恒壓供水，既可以使供水量與用水量統(tǒng)一，又大大降低了能源消耗。
對(duì)自來水生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制主要是對(duì)取水和供水兩個(gè)環(huán)節(jié)的控制。具體的說就是根據(jù)清水池的水位高低來調(diào)節(jié)一級(jí)泵房取水量，避免清水池溢水；通過PLC和變頻器根據(jù)公共管網(wǎng)的壓力變化來控制二級(jí)泵房水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，既能解決沖擊電流和能量空耗的問題又能達(dá)到調(diào)節(jié)流量和恒壓供水的目的。
水廠對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是能夠?qū)λ畯S的設(shè)備運(yùn)行及生產(chǎn)狀況進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理，該系統(tǒng)的基本功能如下：
(1)清水池水位自動(dòng)控制。由于用水量的變化較大并且具有隨機(jī)性，而水廠對(duì)清水池內(nèi)水位的控制有一定的精度要求。
(2)保證公共管網(wǎng)供水壓力恒定。操作人員設(shè)定管網(wǎng)壓力后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值和壓力傳感器反饋的管網(wǎng)壓力信號(hào)，采取一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)機(jī)組，變頻到工頻切換的運(yùn)行模式，一臺(tái)機(jī)組變頻調(diào)速運(yùn)行配合1～3臺(tái)機(jī)組工頻運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)整二級(jí)泵房工頻運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)和變頻機(jī)組的轉(zhuǎn)速，保證公共管網(wǎng)的壓力恒定。無論是用水高峰期還是低峰期都可以在保證供水壓力的前提下最大限度的節(jié)省電能。解決了大功率電機(jī)啟動(dòng)沖擊電流較大的問題；減少了用水低峰期時(shí)，由于管網(wǎng)壓力過高造成的爆管事故和水資源的浪費(fèi)。
(3)設(shè)備狀態(tài)顯示和控制功能。操作人員通過PC機(jī)能夠很方便的了解系統(tǒng)中各種重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，能夠通過PC機(jī)上的操作實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和控制設(shè)備的啟動(dòng)和停止。
(4)生產(chǎn)管理功能。PC機(jī)隨時(shí)檢測并記錄水廠各臺(tái)水泵的流量及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以班次為單位生成報(bào)表，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出水量和耗電量。
(5)報(bào)警和保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生氣、液位、機(jī)械等故障時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行聲、光報(bào)警，并采取相應(yīng)的處理措施。PC機(jī)發(fā)生故障時(shí)，PLC和變頻器可以組成獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行工作；若整個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)均發(fā)生故障，現(xiàn)場控制柜具有手動(dòng)功能，可以通過人工操作保證供水。
2 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和功能
本系統(tǒng)由多臺(tái)可編程控制器(PLC)、數(shù)字模塊、模擬量模塊、水位傳感器、壓力傳感器、PC機(jī)、數(shù)字式變頻器和控制臺(tái)等幾部分組成，系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

由于本系統(tǒng)的控制室設(shè)在遠(yuǎn)離運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境較好的單獨(dú)控制室里，因此上位機(jī)可以采用一般的商用PC機(jī)，從而大大降低該控制系統(tǒng)的成本。上位機(jī)采用Delphi6.0可視化編程語言編寫監(jiān)控軟件，根據(jù)控制要求處理PLC傳送上來的各種信息并發(fā)送相應(yīng)的控制調(diào)整信息。PLC系統(tǒng)采用多臺(tái)德國SIEMENS公司的SIMATIC S7-200型PLC和相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，其中可編程控制器(PLC)主要是由主模塊CPU226、數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM222、模擬量擴(kuò)展模塊EM235以及PC／PPI編程電纜組成。主模塊CPU226具有24輸入／16輸出供40個(gè)數(shù)字量I／O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I／O點(diǎn)和35路模擬量I／O點(diǎn)。并且具有兩個(gè)RS485通信／編程接口，能夠以多種通信協(xié)議與其它設(shè)備通信^［2］。該公司的PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)；此外該公司還配有在PC機(jī)上運(yùn)行的STEP 7 Micro WIN 32程序開發(fā)軟件，可以使用梯形圖和語句表兩種語言編寫、調(diào)試程序，使得系統(tǒng)的開發(fā)工作變得相對(duì)容易^［３］?，F(xiàn)場的水位和壓力反饋信號(hào)分別通過水位傳感器和壓力傳感器直接送入PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，然后通過RS-485／RS-232轉(zhuǎn)換模塊傳送給PC機(jī)。
考慮到現(xiàn)場生產(chǎn)可靠性的問題，本系統(tǒng)中的主要控制任務(wù)有PLC來承擔(dān)。PC機(jī)和控制臺(tái)所下達(dá)的控制命令并不直接作用于變頻器和配電系統(tǒng)，而是首先輸入PLC。PLC檢測并判別輸入信號(hào)后，才進(jìn)行控制操作。任何指令操作和被控對(duì)象的動(dòng)作都由PLC檢測，即便PC機(jī)出現(xiàn)故障或者誤操作，PLC也能夠獨(dú)立的使整個(gè)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)中的運(yùn)行參數(shù)不能很好的滿足工作需要時(shí)，可以通過PC機(jī)中的參數(shù)設(shè)置來修改和調(diào)整PLC中相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)。此外，雖然PLC具有PID調(diào)節(jié)功能，但是現(xiàn)場工作條件比較復(fù)雜、干擾較大使得這些PID調(diào)節(jié)常常不能滿足需要。PC機(jī)可以運(yùn)用高級(jí)算法通過現(xiàn)場反饋的水位和壓力信號(hào)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定，隨時(shí)調(diào)整相應(yīng)的PID參數(shù)，使控制系統(tǒng)總是處于一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)之中。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，將系統(tǒng)按不同的功能劃分為不同的模塊，統(tǒng)一組裝于主框架上構(gòu)成統(tǒng)一的用戶操作界面，操作方便快捷。軟件系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集和通信、設(shè)備狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)采集和通信部分采集水位、壓力、流量、電壓和電流等數(shù)據(jù)，用于記錄、存儲(chǔ)和分析，以及與PLC通信。設(shè)備控制部分根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，并可通過修改運(yùn)行參數(shù)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)管理部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、查詢以及打印輸出?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

由于本系統(tǒng)軟件既要監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)又要能夠下達(dá)控制命令，因此PC機(jī)上的監(jiān)控軟件需要簡單實(shí)用、操作方便。由Inprise公司(原Borland公司)推出的快速應(yīng)用開發(fā)工具Delphi6．0在數(shù)據(jù)庫編程方面十分強(qiáng)大而且有很強(qiáng)的程序界面開發(fā)能力^［４］，本控制系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用Delphi來開發(fā)。
3．1 數(shù)據(jù)采集和通信
數(shù)據(jù)采集部分由參數(shù)設(shè)定、通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。參數(shù)設(shè)定模塊包括傳感器參數(shù)設(shè)定和通信參數(shù)設(shè)定。通信參數(shù)用于設(shè)定PC機(jī)與PLC通信參數(shù)和協(xié)議。通信模塊包括數(shù)據(jù)通信和通信測試。數(shù)據(jù)通信用于從PLC讀取各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息以及下達(dá)控制命令和各種參數(shù)調(diào)整結(jié)果。通信測試模塊具有通信測試和診斷功能，確保通信狀態(tài)良好。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將采集到的生產(chǎn)過程中的各種重要運(yùn)行數(shù)據(jù)加以記錄和處理。
3．2 設(shè)備狀態(tài)控制
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