基于總線網絡的電廠水源調度控制系統設計

李珊珊 劉 魁

（山東科技大學，山東 青島 266590）

基于總線網絡的電廠水源調度控制系統設計

李珊珊 劉 魁

（山東科技大學，山東 青島 266590）

根據電廠對附近水源井合理自動調度監控的要求，設計了一套基于PLC與CAN總線通訊的水源井自動調度監控系統。詳細介紹了設計的硬件組成和軟件設計。本系統集遠程控制、遠程監控管理于一體，具有通信速度快、實時性好、可靠性高、便于擴展等優勢，極大的滿足了電廠對水源井自動控制要求。

可編程邏輯控制；CAN；上位機；組態王

熱電廠是支持城市穩定發展的基礎。面臨城市建設規模的不斷擴大，對熱電廠的發電量提出了新的要求，由此對熱電廠附近的供水源能否進行合理快速的調度要求越來越高。然而大多電廠設備陳舊，自動化程度低，熱電廠與供水源之間的通信設施老化，往往不能進行實時準確的相互通信，不能完全了解各個水源地的供水情況，容易造成對水源的調度滿足不了需求或超出需求。面對以上問題，熱電廠應提高自動化程度，實現供水系統的自動化與實時監控管理。

根據以上要求，設計了一套工業計算機作為上位機實現對熱電廠附近水源井實時控制與監測的自動監控系統。可編程邏輯控制器（PLC）由于其良好的控制特性、高靠性、編程簡單等優勢，已廣泛應用于各工業控制領域，實現數據的采集和設備控制。為建立良好的人機界面，可選用組態王軟件設計水源井的監控界面，實現對水源井的遠程啟停控制、流量、水位、水壓及電氣信息的監控。由于電廠或水源井附近地形復雜，且兩者距離比較遠，很多研究都選用無線通信作為通信方式[2]，但無線通信方式很容易造成信息傳遞延遲或丟包現象，我們選用一種有線通信方式完成通信。CAN（Controller Area Network）網絡是現場總線技術之一[1]，是具有架構開放、廣播式的新一代網絡通信協議，由于其可以有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，且通信距離可達10km，可進行點對點、一點對多點及全局廣播式傳送和接受數據，在發送數據上不分主從，采用非破壞性總線仲裁技術等優勢越來越受到工業領域的青睞。所以我們選用CAN總線通訊網絡達到熱電廠對水源井實時監控與自動調度的要求。

1 系統結構

熱電廠水源井調度控制系統包括 1個系統主站，負責對熱電廠附近的所有水源井進行實時監控調度，監控中心安裝在電廠化水車間內，采用臺灣研華公司出產的 IPC-610/P42.0G/80G工控機作為整個系統的控制計算機。熱電廠主站與水源井子站之間的通信通過CAN網絡實現，該網絡不但可以實現主站與子站之間的通信，子站與子站之間也可以相互通信，大大提高了系統各部分之間的通信可靠性。通過CAN網絡，熱電廠主站可以對各個水源井子站的運行實時監控、發送各種調度指令。電廠主站的監控平臺是基于Window XP操作系統，利用專業穩定可靠的工控組態軟件設計的。

每個水源井作為系統子站分別進行相同的設計，本設計利用西門子S7-200作為水源井的核心控制器，通過CAN智能適配卡，電廠主站向各水源井站子站發送命令，子站通過CAN隔離收發器與CAN控制器控制接受指令，控制軟啟動的運行，水泵工作，并且S7-200控制相應的檢測器件與傳感器采集水源井的水位、流量大小、出水壓力及電氣參數等，將以上信息通過 CAN總線網絡傳送到主站進行實時顯示。

系統結構圖如圖1所示。

圖1 水源井自動調度控制系統結構圖

2 主要硬件配置設計

2.1 工控機

上位機采用臺灣研華公司出產的 IPC610工控機，該工控機內部 CPU為奔騰 P4/2.0G，內存為512M，硬盤位 80G，配有 19寸液晶顯示器、UPS電源、打印機，軟件安裝kingview6.5組態王。IPC-610實時性好、擴展性強、兼容性廣、可靠性高。作為控制系統的主站可很好的將指令或數據傳輸到各水源井子站。利用組態王軟件，完整的設計了一套實現遠程啟停控制、參數設置及實時顯示、報警、歷史數據查詢、報表功能、數據存檔、用戶管理等功能的人機界面。

2.2 可編程邏輯控制器（PLC）

可編程邏輯控制器由于可靠性高，在工業環境中抗干擾能力強，普遍應用在各領域中，而且PLC的控制能力極強，兼有算術、邏輯運算、定時、技術、PID運算、過程控制、通訊等功能，均可以通過指令形式完成。PLC內部微處理器模塊通過數據總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接各存儲器、外部接口和 I/O接口，通過指令控制個 I/O端口的電平高低，控制外部設備運行，大大減少大量的硬件電路設計。

因此本設計選用西門子公司生產的s7-200系列CPU 224作為主控制器，它具有14/10個I/O端口，可以擴展7個模塊，具有RS485通訊接口，擁有PPI、MPI和自由口通訊能力。設計中通過RS485轉CAN轉換器將PLC與CAN控制器連接，實現PLC與主站之間的通信，接收來自電廠的啟停命令和將采集的信息傳送給電廠水源井調度總控制室進行實時顯示功能。

2.3 CAN總線通信網絡

控制器局域網（CAN）由于通信速率快、實時性高、開放性好、通信距離遠及控制簡單等優點，近幾年已應用在眾多工業領域，是公認的最有前途的現場總線之一。CAN每條總線上可掛接110個節點，及大的提高了對未來新的水源井擴展性，并且CAN網絡不但可以實現主站與從站之間的通信，而且從站之間也可以互相通信。所以本設計采用CAN總線構成系統的通信網絡。通信網絡主要需三個模塊：CAN適配卡、CAN控制器與CAN隔離收發器。

在通信過程中，監控主機相當于一個節點掛接在CAN總線上，CAN適配卡用于將CAN總線與工控機相連，來收集CAN總線上各水源井節點傳送過來的水位、出水壓力、電氣參數等信息，轉發給工控機，同時，可將工控機的指令和數據發送給各節點，控制水源井水泵啟停。

CAN控制器是為解決控制部件之間的數據交換而開發的一種串行數據通信總線，本設計選用典型的Philips生產的獨立CAN總線控制器SJA1000，其支持基本CAN工作模式和增強CAN工作模式，分別支持11bit和29bit報文描述符。PLC可通過對SJA1000的內部寄存器讀寫訪問控制SJA1000和收發信息。

電廠主站與水源井從站之間可能距離比較遠，兩者通信模塊之間的大地電平可能出現比較大的電壓差，從而影響正常通信的運行，設計中增加了CAN隔離收發器來解決上述問題。選用 CTM1050接口芯片來消除電壓差，其隔離電壓可達到DC2500V，且接口簡單，使用方便，不需要外接其他元件，直接連接，接收、發送引腳直接與CAN控制器的接收、發送引腳相連即可。

CAN總線結構如圖2所示。圖中電阻為120Ω。

3 軟件設計

3.1 上位機監控軟件設計

監控軟件的設計利用組態王軟件完成，該軟件是專為工業過程控制與現場實時監控開發的一套監控系統軟件。設計選用組態王 Kingview6.5版本進行監控平臺開發，該版本組態王支持西門子S7-200系列PLC。監控平臺設計包括對所有水源井的啟停控制，觀測熱電廠瞬時水源需求量和總用水量，每個水源井的水位圖、流量圖、出水壓力等動態實時變化信息，而且還可以進行操作日志、歷史數據查詢、故障報警等功能操作。監測數據全部是由PLC通過現場采集通過CAN總線上傳給PC上，監控主機實時動態顯示出各水源井的參數變化，實現對水源井的合理自動調度控制。

本設計人機界面監控軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 人機界面監控軟件功能框圖

3.2 PLC軟件設計

西門子 S7-200系列可編程邏輯控制器利用STEP7-Micro/WIN V4.0SP3編程軟件進行程序編寫，該軟件集成了語句表（ST）語言、梯形圖（LAD）語言、功能塊圖（FWD）語言，應用靈活，因梯形圖語言編寫方便、直觀易懂，所以是PLC程序設計中使用最多的一種語言。為了方便工廠電工作人員能夠掌握系統設計，本設計采用梯形圖（LAD）語言進行程序設計，并將編程好的程序通過 PC/PPI電纜從筆記本下載到S7-200PLC的CPU中，經過調試與實際測試，完成對水源井水泵的啟停控制、水位、出水壓、流量、電氣信息等數據的采集。

PLC控制程序流程圖如圖4所示。

4 結論

本設計利用西門子 S7-200可編程邏輯控制器與上位機監控平臺，同時融合了通信速度快、穩定的CAN總線網絡，解決了數據遠距離傳輸的困難，實現了熱電廠對附近水源井水源調度自動化與實時遠程監控的要求。通過某熱電廠投產使用一段時間分析觀察，系統運行效果良好，熱電廠能夠有效的對水源井進行遠程啟停控制，而且上位機監控系統界面可以實時準確反應水源井的主要參數（如水位、出水管壓力、流量、電氣參數等）變化過程，同時上位機監控系統提供的操作日志、歷史數據查詢等功能運行正常，系統設計極大的提高了熱電廠對水源井的調度控制能力與效率，節省了人力，總體上形成了測、控、管一體化的熱電廠水源調度自動化。

[1] 朱星，周建斌，莊景齊，等. 基于CAN總線的PLC與組態王通信的實現[J]. 中國測試, 2009, 35(4).

[2] 靳雷，包群山. 基于PLC和GPRS無線通信的水廠監控系統設計[J]. 低壓電器, 2009(9).

[3] 梁波，吳峰. 基于PLC的水廠供水監控系統設計[J].遼寧工業大學學報. 2012, 32(6): 354-356.

[4] 戴潤梁，張和平. 基于CAN總線的智能PLC控制器的設計[J]. 武漢理工大學學報, 2001, 23(3): 13-15.

[5] 畢翔，張建軍，王躍飛. 基于CAN總線的PLC-PC控制系統研究[J]. 合肥工業大學學報, 2005, 28(6):599-602.

[6] 高正中. 西門子 S7-200CN PLC編程技術及工程應用[M]. 電子工業出版社, 2010.

The Design of Power Plant Wellsping Control System Based on Industrial Ethernet

Li Shanshan Liu Kui
(Shandong University of science and Technology, Qingdao，Shangdong 266510)

This paper described a design of power plant wellspring control system that was based on S7-200PLC controller and CAN BUS communication network, introduced the structure and the soft hardware design of the system. This system sets of remote control, remote monitoring and management in one, with high communication speed, good real-time performance, high reliability, extend the advantages easily, great to meet the power requirements of automatic control of power plant wellspring greatly.

PLC; CAN; PC; Kingview

李珊珊（1980-），山東萊蕪人，山東科技大學碩士研究生，計算機應用專業。