組態(tài)軟件在變頻供水系統(tǒng)原理中的應(yīng)用
組態(tài)軟件在變頻供水系統(tǒng)原理中的應(yīng)用
摘 要：利用力控組態(tài)軟件強(qiáng)大的HMI（人機(jī)界面）/ SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）功能，在上位機(jī)上應(yīng)用組態(tài)軟件來(lái)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)。在整個(gè)控制過(guò)程中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的自調(diào)整，設(shè)備遠(yuǎn)程操控，達(dá)到恒壓、節(jié)能的效果，整個(gè)系統(tǒng)具有可靠性高，通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
1 引言
目前，中、小型水廠的供水系統(tǒng)基本上采用老式的手動(dòng)式恒壓供水控制系統(tǒng)。從水源井過(guò)來(lái)的水通過(guò)離心泵輸往用戶，而目前不少供水廠的現(xiàn)狀是加壓泵供水系統(tǒng)中的清水池離水源井較遠(yuǎn)，水池的液位高低和離心泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及如何與抽水的潛水泵“聯(lián)動(dòng)”是較難解決的，同時(shí)用戶用水量的不確定性，難以利用精確的解析式數(shù)學(xué)模型進(jìn)行閉環(huán)控制。
基于上述情況，本文主要針對(duì)在中、小型水廠供水系統(tǒng)，提出了采用IPC+PLC作為中心控制單元，與變頻器、軟啟動(dòng)器、水泵電機(jī)及控制電路相結(jié)合構(gòu)成閉環(huán)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)三維力控組態(tài)軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制自動(dòng)恒壓控制供水系統(tǒng)的組態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水量，使系統(tǒng)具有節(jié)能、工作可靠、自動(dòng)控制程度高、經(jīng)濟(jì)易配置等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)較經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)了加壓泵系統(tǒng)與抽水泵系統(tǒng)“遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)”的控制目的。
2 變頻供水系統(tǒng)組態(tài)軟件
組態(tài)軟件是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，其突出特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù),可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索管理、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。
組態(tài)軟件可以不修改軟件程序的源代碼就能生成適合自己需要的應(yīng)用系統(tǒng)。在生成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)只需填寫(xiě)一些事先設(shè)計(jì)的表格，再利用圖形功能把被控對(duì)象形象地畫(huà)出來(lái)，通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)連接把被控對(duì)象的屬性與I/0設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯連接，運(yùn)行后，與被控對(duì)象相連的I/0設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化會(huì)直接帶動(dòng)被控對(duì)象的屬性顯示變化。
鑒于組態(tài)軟件面向HMI/SCADA的特點(diǎn)，在上位機(jī)上應(yīng)用組態(tài)軟件來(lái)開(kāi)發(fā)水廠的監(jiān)控系統(tǒng)，可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)、集中式管理的功能。
3 變頻供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
水廠的控制系統(tǒng)一般采用上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了“分散控制、集中管理”的現(xiàn)代控制思想。水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，與所有過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，從硬件上可以分為檢測(cè)儀表、計(jì)算機(jī)輸入輸出接口、計(jì)算機(jī)以及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)四大部分。本系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)操作站和控制站兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)操作站主要由以下幾部分組成：上位機(jī)（工控機(jī)），PLC，軟啟動(dòng)器等?？刂普鞠到y(tǒng)包括主機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、I/O接口及變送器等組成部分。
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集由液位傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等現(xiàn)場(chǎng)智能儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)，各模塊與模塊之間都是相互獨(dú)立的，某一路信號(hào)發(fā)生問(wèn)題不會(huì)影響其它信號(hào)。系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)，PLC框架采用內(nèi)部總線，PLC與計(jì)算機(jī)之間采用RS-485/232通訊接口?，F(xiàn)場(chǎng)儀表層和下位機(jī)控制站通過(guò)松下PLC、現(xiàn)場(chǎng)控制閥門(mén)和現(xiàn)場(chǎng)儀表共同完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。上位機(jī)操作站由IPC（工控機(jī)）、三維力控組態(tài)軟件和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，完成整個(gè)恒壓供水系統(tǒng)的監(jiān)控。
變頻供水系統(tǒng)具備同時(shí)控制多臺(tái)水泵的功能。水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由中央控制室與各水源站分控制室組成。根據(jù)不同需要可以采取多臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行、定時(shí)換泵等多種工作方式。泵電機(jī)采用軟啟動(dòng)。恒壓供水系統(tǒng)組態(tài)如圖2所示。
變頻供水系統(tǒng)組態(tài)
中央控制室有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、變頻器、軟啟動(dòng)器、LED（電子顯示屏）及PLC等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。中央控制室以四臺(tái)額定功率為138KW的離心泵電機(jī)為例對(duì)外恒壓供水，1號(hào)和2號(hào)電機(jī)的啟停由變頻調(diào)速器控制，3、4號(hào)電機(jī)的啟停由軟啟動(dòng)器控制。中央控制室自動(dòng)供水系統(tǒng)恒壓供水控制信號(hào)由壓力傳感器、液位傳感器、智能電量表等現(xiàn)場(chǎng)儀表獲得。智能電量表可以顯示線電壓、相電壓、電流、電能等電量參數(shù)，可直觀地監(jiān)測(cè)到當(dāng)前電網(wǎng)和電機(jī)運(yùn)行的狀況，以保證能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障和預(yù)防事故的發(fā)生。
分控制室主要控制的是水源井的抽水泵，每一個(gè)水源井有三臺(tái)額定功率為90KW的潛水泵電機(jī)，其從水源井中向外抽水，它們的啟停由軟啟動(dòng)器根據(jù)供水需求由系統(tǒng)自動(dòng)控制。
由于監(jiān)控系統(tǒng)中的中央控制室與水源井控制站距離較遠(yuǎn)，而兩地之間無(wú)高阻礙物，考慮以后的維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)，故采用無(wú)線網(wǎng)橋?qū)烧具M(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享。
4 變頻供水系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
在水廠自動(dòng)恒壓變頻供水系統(tǒng)中，控制算法是軟件的核心，除此算法外還應(yīng)該有計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化儀表連接的硬件接口和方便操作的人機(jī)交互界面等輔助軟件，這些軟件都是由一個(gè)組態(tài)軟件組態(tài)以后來(lái)協(xié)調(diào)運(yùn)行，本系統(tǒng)北京三維力控組態(tài)軟件。系統(tǒng)的管理軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控分控制室水源井潛水泵電機(jī)和中央控制室清水池離心泵電機(jī)的啟停操作及實(shí)時(shí)采集各現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)。
4.1、控制策略
中央控制室變頻系統(tǒng)24小時(shí)內(nèi)交替啟動(dòng)1號(hào)和2號(hào)離心泵電機(jī)，軟啟動(dòng)系統(tǒng)控制著3或4號(hào)電機(jī)，中心所變頻器根據(jù)控制量的大小進(jìn)行恒壓供水，而中心所軟啟動(dòng)器可以根據(jù)中心所變頻器變頻頻率與實(shí)時(shí)壓力的大小決定是否啟動(dòng)3或4號(hào)電機(jī)。例如，在某個(gè)用水高峰時(shí)段，當(dāng)中心所恒壓供水壓力和變頻頻率在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)在0.48MPa和44Hz以上時(shí)，中心所自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)3或4號(hào)離心泵電機(jī)。同理，在用水低谷時(shí)段，當(dāng)中心所恒壓供水壓力和變頻頻率在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)在0.42MPa和37.5Hz以下時(shí)，中心所自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉3或4號(hào)電機(jī)，只需用變頻啟動(dòng)一臺(tái)電機(jī)供水。其它情況由中心所變頻系統(tǒng)自動(dòng)控制電機(jī)的工作狀況。此外，系統(tǒng)還可以監(jiān)控電機(jī)及閥門(mén)的工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)變頻頻率、出水壓力、運(yùn)行時(shí)間、工作電流、工作電壓、有功功率、耗電量、水泵閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)及出廠水質(zhì)指標(biāo)。
啟停3或4號(hào)電機(jī)可以根據(jù)單個(gè)電機(jī)在一定時(shí)間里的單耗確定優(yōu)先使用哪臺(tái)電機(jī)，從而決定電機(jī)的使用與檢修，例如：?jiǎn)魏?（累計(jì)用電量×1000）/（累計(jì)揚(yáng)水量×全揚(yáng)程），累計(jì)用電量和累計(jì)揚(yáng)水量可由現(xiàn)場(chǎng)儀表讀得，全揚(yáng)程為一固定值。決定開(kāi)啟幾號(hào)電機(jī)該電機(jī)則在組態(tài)軟件中編程實(shí)現(xiàn)。
分控制室軟啟動(dòng)器可對(duì)水源井中的潛水泵進(jìn)行啟?？刂疲鶕?jù)中央控制室清水池的液位自動(dòng)啟停分控制室潛水泵電機(jī)。啟停分控制室電機(jī)和啟停3或4號(hào)電機(jī)的方式一樣。
4.2、軟件架構(gòu)
水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
1.通訊網(wǎng)絡(luò)管理
通訊網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控系統(tǒng)中連接各控制單元、操作單元、管理單元的命脈。相對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也由多級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成，并具有高可靠性，實(shí)時(shí)性，靈活性的優(yōu)點(diǎn)。
2. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組建
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)備管理調(diào)用，經(jīng)I/0模塊接收或發(fā)送數(shù)據(jù)至工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，它保存系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的各種信息，并向其它任務(wù)模塊提供所需要的各種數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)定義了一系列數(shù)據(jù)用于反映監(jiān)測(cè)和被控對(duì)象的各種屬性，如：溫度、壓力、流量、電流及開(kāi)關(guān)量、必須的中間變量和間接變量。
3. 數(shù)據(jù)I/O接口
組態(tài)軟件具有良好的開(kāi)放性，對(duì)于采用不同通信協(xié)議的I/O設(shè)備，組態(tài)軟件提供具有針對(duì)性的I/O驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)借助I/O驅(qū)動(dòng)程序?qū)/O設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集與回送。這些數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)變送器變換、傳送，再通過(guò)放大、隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，輸入到計(jì)算機(jī)處理，其控制輸出通過(guò)輸出接口、D/A轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)，輸出到各輸出通道，到達(dá)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行。一臺(tái)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)通過(guò)若干I/O驅(qū)動(dòng)程序可同時(shí)連接任意多臺(tái)I/O設(shè)備[4]。
4. 動(dòng)態(tài)流程顯示
本系統(tǒng)的組態(tài)軟件的流程畫(huà)面技術(shù)支持?jǐn)?shù)值、棒狀圖、調(diào)整曲線、趨勢(shì)曲線、歷史曲線等功能。監(jiān)控系統(tǒng)顯示功能以圖形方式在顯示屏上顯示水廠供水的流程，動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前的工況和運(yùn)行狀態(tài)。相應(yīng)的參數(shù)顯示在對(duì)應(yīng)的位置上，使運(yùn)行管理人員能及時(shí)了解供水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。中央控制室的LED大屏上顯示分控制室的三相電壓，運(yùn)行電機(jī)電流，以及中央控制室的變頻器頻率，工作壓力，送水流量，使管理人員能看到當(dāng)前的運(yùn)行情況，增加了水廠運(yùn)行的可靠性和安全性。
5. 趨勢(shì)記錄和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)趨勢(shì)記錄和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理任務(wù)，可以方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和分析?？梢詭椭僮魅藛T對(duì)系統(tǒng)中的各點(diǎn)進(jìn)行橫向分析、比較，可以將一段時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，故障時(shí)可以進(jìn)行故障跟蹤與故障原因分析。
6. 在線組態(tài)
本監(jiān)控系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了在線組態(tài)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)生成、實(shí)時(shí)趨勢(shì)記錄生成、流程動(dòng)態(tài)顯示，控制系統(tǒng)可以在不干擾恒壓供水正常生產(chǎn)的情況下，迅速有效地生成有關(guān)控制作用。
7. 動(dòng)畫(huà)連接
建立數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)與圖形畫(huà)面中圖形對(duì)象的連接關(guān)系，使畫(huà)面根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的變化來(lái)產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)效果，實(shí)時(shí)顯示水廠供水過(guò)程中的清水池液位、工作壓力、送水流量等。動(dòng)畫(huà)連接過(guò)程中還可以使用腳本編輯器進(jìn)行編輯。如無(wú)線網(wǎng)橋網(wǎng)路中斷時(shí)報(bào)警信息：
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了利用三維力控組態(tài)軟件在水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的生產(chǎn)應(yīng)用的實(shí)施。恒壓變頻供水系統(tǒng)是水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，電機(jī)的啟停與啟停電機(jī)的臺(tái)數(shù)將直接取決于實(shí)際壓力的大小，而實(shí)際壓力的大小由用水量來(lái)決定。本文就實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中遇到的問(wèn)題根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了一些實(shí)際問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明，設(shè)計(jì)是成功的，系統(tǒng)能有效的降低資源損耗，能較好避免系統(tǒng)受外界干擾產(chǎn)生的數(shù)據(jù)突變等不穩(wěn)定因素而影響生產(chǎn)，增加了水廠的效益，取得了良好的效果。
本文創(chuàng)新點(diǎn)：本系統(tǒng)的中央控制室變頻系統(tǒng)采用的控制策略是在用水量不同的情況下，由程序自動(dòng)調(diào)整設(shè)定壓力，根據(jù)設(shè)定壓力自動(dòng)跟蹤變頻頻率，從而決定是否要啟動(dòng)和關(guān)閉中心控制室離心泵。將設(shè)定壓力調(diào)整為不同的值是因?yàn)樵谟盟扛叻鍟r(shí)，要避免因供水壓力不足而造成高地勢(shì)用戶無(wú)水可用以及變頻器總處于滿負(fù)荷狀態(tài)而減少其使用壽命;在用水量不大時(shí)，要避免因?qū)嶋H供水壓力過(guò)小而造成變頻器變頻頻率過(guò)低無(wú)法正常運(yùn)行。這樣既保證了變頻器的使用壽命，又大大節(jié)約了能耗，為水廠生產(chǎn)增加了效益。
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