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)軟件來開發(fā)全自動恒壓供水系統(tǒng)。在整個(gè)控制過程中通過編程實(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式恒壓供水控制系統(tǒng)。從水源井過來的水通過離心泵輸往用戶，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”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)，通過三維力控組態(tài)軟件對其進(jìn)行優(yōu)化控制自動恒壓控制供水系統(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、自動控制程度高、經(jīng)濟(jì)易配置等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)通過無線局域網(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”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)場數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，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)對話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲、檢索管理、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)在同一臺計(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)只需填寫一些事先設(shè)計(jì)的表格，再利用圖形功能把被控對象形象地畫出來，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)連接把被控對象的屬性與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，與被控對象相連的I/0設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化會直接帶動被控對象的屬性顯示變化。
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)軟件來開發(fā)水廠的監(jiān)控系統(tǒng)，可以大大縮短開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)分布式檢測、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。水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)，與所有過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，從硬件上可以分為檢測儀表、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)場操作站和控制站兩級控制結(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，軟啟動器等。控制站系統(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)場智能儀表來實(shí)現(xiàn)，各模塊與模塊之間都是相互獨(dú)立的，某一路信號發(fā)生問題不會影響其它信號。系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(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。現(xiàn)場儀表層和下位機(jī)控制站通過松下PLC、現(xiàn)場控制閥門和現(xiàn)場儀表共同完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與現(xiàn)場設(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)軟件和后臺數(shù)據(jù)庫組成，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)控制多臺水泵的功能。水廠自動監(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。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、軟啟動器、LED（電子顯示屏）及PLC等現(xiàn)場設(shè)備。中央控制室以四臺額定功率為138KW的離心泵電機(jī)為例對外恒壓供水，1號和2號電機(jī)的啟停由變頻調(diào)速器控制，3、4號電機(jī)的啟停由軟啟動器控制。中央控制室自動供水系統(tǒng)恒壓供水控制信號由壓力傳感器、液位傳感器、智能電量表等現(xiàn)場儀表獲得。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器根據(jù)供水需求由系統(tǒng)自動控制。
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)，而兩地之間無高阻礙物，考慮以后的維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)，故采用無線網(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1號和2號離心泵電機(jī)，軟啟動系統(tǒng)控制著3或4號電機(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3或4號電機(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)，中心所自動監(jiān)控系統(tǒng)將自動啟動3或4號離心泵電機(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)，中心所自動監(jiān)控系統(tǒng)將自動關(guān)閉3或4號電機(jī)，只需用變頻啟動一臺電機(jī)供水。其它情況由中心所變頻系統(tǒng)自動控制電機(jī)的工作狀況。此外，系統(tǒng)還可以監(jiān)控電機(jī)及閥門的工作狀態(tài)，監(jiān)測變頻頻率、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、水泵閥門開關(guān)狀態(tài)及出廠水質(zhì)指標(biāo)。
啟停3或4號電機(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)先使用哪臺電機(jī)，從而決定電機(jī)的使用與檢修，例如：單耗=（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)場儀表讀得，全揚(yáng)程為一固定值。決定開啟幾號電機(jī)該電機(jī)則在組態(tài)軟件中編程實(shí)現(xiàn)。
分控制室軟啟動器可對水源井中的潛水泵進(jìn)行啟停控制，根據(jù)中央控制室清水池的液位自動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號電機(jī)的方式一樣。
4.2、軟件架構(gòu)
水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
水廠自動監(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。相對于監(jiān)控系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也由多級網(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)庫組建
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫通過實(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，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)測和被控對象的各種屬性，如：溫度、壓力、流量、電流及開關(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)軟件具有良好的開放性，對于采用不同通信協(xié)議的I/O設(shè)備，組態(tài)軟件提供具有針對性的I/O驅(qū)動程序，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫借助I/O驅(qū)動程序?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)場變送器變換、傳送，再通過放大、隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，輸入到計(jì)算機(jī)處理，其控制輸出通過輸出接口、D/A轉(zhuǎn)換、驅(qū)動，輸出到各輸出通道，到達(dá)工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行。一臺運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)通過若干I/O驅(qū)動程序可同時(shí)連接任意多臺I/O設(shè)備[4]。
4. 動態(tài)流程顯示
本系統(tǒng)的組態(tài)軟件的流程畫面技術(shù)支持?jǐn)?shù)值、棒狀圖、調(diào)整曲線、趨勢曲線、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. 趨勢記錄和歷史數(shù)據(jù)庫
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過趨勢記錄和歷史數(shù)據(jù)庫管理任務(wù)，可以方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和分析。可以幫助操作人員對系統(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)存儲起來，進(jìn)行變化趨勢分析，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)庫生成、實(shí)時(shí)趨勢記錄生成、流程動態(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. 動畫連接
建立數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與圖形畫面中圖形對象的連接關(guān)系，使畫面根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的變化來產(chǎn)生動畫效果，實(shí)時(shí)顯示水廠供水過程中的清水池液位、工作壓力、送水流量等。動畫連接過程中還可以使用腳本編輯器進(jìn)行編輯。如無線網(wǎng)橋網(wǎng)路中斷時(shí)報(bào)警信息：
5 結(jié)束語
本文介紹了利用三維力控組態(tài)軟件在水廠自動監(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決定。本文就實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中遇到的問題根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了一些實(shí)際問題。經(jīng)過實(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，由程序自動調(diào)整設(shè)定壓力，根據(jù)設(shè)定壓力自動跟蹤變頻頻率，從而決定是否要啟動和關(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用戶無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供水壓力過小而造成變頻器變頻頻率過低無法正常運(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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