供水自動(dòng)化計算機實(shí)時(shí)監控系統

1 引言
隨著(zhù)計算機技術(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，各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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)出現以后，設計者可以將PC機和PLC結合起來(lái)，充分利用PC機強大的人機接口功能、豐富的應用軟件和低廉的價(jià)格，組成高性能價(jià)格比的控制系統。系統的開(kāi)發(fā)設計周期大大縮短，成本也大大降低。本文以中小型水廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程為背景，設計了一套基于PC機的供水自動(dòng)化計算機監控系統。
1 控制對象和控制系統功能簡(jiǎn)介
目前，我國大部分中小型供水廠(chǎng)均采用兩級泵站的生產(chǎn)模式，自來(lái)水的處理工藝流程如圖1所示。

由一級泵房從水源地取水輸送到反應池進(jìn)行加礬、沉淀、消毒和過(guò)濾等處理，最后由二級泵房加壓輸送到公共管網(wǎng)供水。作為廣大中小城市自來(lái)水的生產(chǎn)者，供水廠(chǎng)大多存在以下一些問(wèn)題：
(1)取水和供水控制一般為人工控制，自動(dòng)化水平較低，對需求反應不及時(shí)；
(2)大多數大功率電機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重浪費水、電資源。
(4)設備事故隱患較多，管理困難。
根據葉片泵的原理，改變葉片泵轉速n，可使水泵流量Q、軸功率N按相應的規律改變。

根據以上公式可知電機所消耗的功率與轉速的立方成正比。因此采用變頻調速恒壓供水，既可以使供水量與用水量統一，又大大降低了能源消耗。
對自來(lái)水生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制主要是對取水和供水兩個(gè)環(huán)節的控制。具體的說(shuō)就是根據清水池的水位高低來(lái)調節一級泵房取水量，避免清水池溢水；通過(guò)PLC和變頻器根據公共管網(wǎng)的壓力變化來(lái)控制二級泵房水泵電機的轉速，既能解決沖擊電流和能量空耗的問(wèn)題又能達到調節流量和恒壓供水的目的。
水廠(chǎng)對控制系統的設計要求是能夠對水廠(chǎng)的設備運行及生產(chǎn)狀況進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理，該系統的基本功能如下：
(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性，而水廠(chǎng)對清水池內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。操作人員設定管網(wǎng)壓力后，系統根據設定值和壓力傳感器反饋的管網(wǎng)壓力信號，采取一臺變頻器拖動(dòng)多臺機組，變頻到工頻切換的運行模式，一臺機組變頻調速運行配合1～3臺機組工頻運行，自動(dòng)調整二級泵房工頻運行機組的臺數和變頻機組的轉速，保證公共管網(wǎng)的壓力恒定。無(wú)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省電能。解決了大功率電機啟動(dòng)沖擊電流較大的問(wèn)題；減少了用水低峰期時(shí)，由于管網(wǎng)壓力過(guò)高造成的爆管事故和水資源的浪費。
(3)設備狀態(tài)顯示和控制功能。操作人員通過(guò)PC機能夠很方便的了解系統中各種重要設備的運行狀態(tài)和參數，能夠通過(guò)PC機上的操作實(shí)時(shí)調整設備的運行參數和控制設備的啟動(dòng)和停止。
(4)生產(chǎn)管理功能。PC機隨時(shí)檢測并記錄水廠(chǎng)各臺水泵的流量及運轉狀態(tài)，以班次為單位生成報表，自動(dòng)統計出水量和耗電量。
(5)報警和保護功能。當發(fā)生氣、液位、機械等故障時(shí)系統進(jìn)行聲、光報警，并采取相應的處理措施。PC機發(fā)生故障時(shí)，PLC和變頻器可以組成獨立的控制系統進(jìn)行工作；若整個(gè)自動(dòng)系統均發(fā)生故障，現場(chǎng)控制柜具有手動(dòng)功能，可以通過(guò)人工操作保證供水。
2 系統硬件的結構和功能
本系統由多臺可編程控制器(PLC)、數字模塊、模擬量模塊、水位傳感器、壓力傳感器、PC機、數字式變頻器和控制臺等幾部分組成，系統總體方案如圖2所示。

由于本系統的控制室設在遠離運行現場(chǎng)環(huán)境較好的單獨控制室里，因此上位機可以采用一般的商用PC機，從而大大降低該控制系統的成本。上位機采用Delphi6.0可視化編程語(yǔ)言編寫(xiě)監控軟件，根據控制要求處理PLC傳送上來(lái)的各種信息并發(fā)送相應的控制調整信息。PLC系統采用多臺德國SIEMENS公司的SIMATIC S7-200型PLC和相應的擴展模塊，其中可編程控制器(PLC)主要是由主模塊CPU226、數字量擴展模塊EM222、模擬量擴展模塊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)數字量I／O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴展模塊，最大擴展至248路數字量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)議與其它設備通信^［2］。該公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；此外該公司還配有在PC機上運行的STEP 7 Micro WIN 32程序開(kāi)發(fā)軟件，可以使用梯形圖和語(yǔ)句表兩種語(yǔ)言編寫(xiě)、調試程序，使得系統的開(kāi)發(fā)工作變得相對容易^［３］?，F場(chǎng)的水位和壓力反饋信號分別通過(guò)水位傳感器和壓力傳感器直接送入PLC的模擬量擴展模塊EM235，然后通過(guò)RS-485／RS-232轉換模塊傳送給PC機。
考慮到現場(chǎng)生產(chǎn)可靠性的問(wèn)題，本系統中的主要控制任務(wù)有PLC來(lái)承擔。PC機和控制臺所下達的控制命令并不直接作用于變頻器和配電系統，而是首先輸入PLC。PLC檢測并判別輸入信號后，才進(jìn)行控制操作。任何指令操作和被控對象的動(dòng)作都由PLC檢測，即便PC機出現故障或者誤操作，PLC也能夠獨立的使整個(gè)控制系統正常運行。當系統中的運行參數不能很好的滿(mǎn)足工作需要時(shí)，可以通過(guò)PC機中的參數設置來(lái)修改和調整PLC中相應的運行參數。此外，雖然PLC具有PID調節功能，但是現場(chǎng)工作條件比較復雜、干擾較大使得這些PID調節常常不能滿(mǎn)足需要。PC機可以運用高級算法通過(guò)現場(chǎng)反饋的水位和壓力信號對PID參數進(jìn)行在線(xiàn)整定，隨時(shí)調整相應的PID參數，使控制系統總是處于一個(gè)良好的運行狀態(tài)之中。
3 系統軟件設計
系統軟件設計采用模塊化設計技術(shù)，將系統按不同的功能劃分為不同的模塊，統一組裝于主框架上構成統一的用戶(hù)操作界面，操作方便快捷。軟件系統主要包括三個(gè)部分：數據采集和通信、設備狀態(tài)控制和數據管理。數據采集和通信部分采集水位、壓力、流量、電壓和電流等數據，用于記錄、存儲和分析，以及與PLC通信。設備控制部分根據采集到的數據判斷系統當前的運行狀態(tài)，并可通過(guò)修改運行參數對設備工作狀態(tài)進(jìn)行調整。數據管理部分負責數據的統計、查詢(xún)以及打印輸出?？傮w結構框圖如圖3所示。

由于本系統軟件既要監測設備的工作狀態(tài)又要能夠下達控制命令，因此PC機上的監控軟件需要簡(jiǎn)單實(shí)用、操作方便。由Inprise公司(原Borland公司)推出的快速應用開(kāi)發(fā)工具Delphi6．0在數據庫編程方面十分強大而且有很強的程序界面開(kāi)發(fā)能力^［４］，本控制系統的系統監控軟件采用Delphi來(lái)開(kāi)發(fā)。
3．1 數據采集和通信
數據采集部分由參數設定、通信模塊和數據存儲模塊組成。參數設定模塊包括傳感器參數設定和通信參數設定。通信參數用于設定PC機與PLC通信參數和協(xié)議。通信模塊包括數據通信和通信測試。數據通信用于從PLC讀取各種數據和狀態(tài)信息以及下達控制命令和各種參數調整結果。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。數據存儲模塊將采集到的生產(chǎn)過(guò)程中的各種重要運行數據加以記錄和處理。
3．2 設備狀態(tài)控制
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