莫索灣墾區(qū)自來水廠監(jiān)控中心軟件設計

馬 強，李江全，李 彬

（石河子大學 機械電氣工程學院，石河子 832000）

組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是目前工控自動化領域較為實用的一種監(jiān)控系統(tǒng)，在進行水廠監(jiān)控中心軟件開發(fā)設計中，直接利用組態(tài)軟件包中的工具，完成硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖像組態(tài)等工作。水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)應用組態(tài)技術，可避免復雜的軟件編程問題，著重對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析處理，從而達到水廠實時監(jiān)控的目的。本文采用KingView組態(tài)軟件設計了水廠監(jiān)控中心系統(tǒng)，以實現(xiàn)水廠監(jiān)控可視化、管理科學化，提高水廠人員工作效率，增加水廠經(jīng)濟效益。

1 自動監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

1.1 莫索灣水廠簡介

莫索灣隸屬新疆生產(chǎn)建設兵團第八師，下轄一四八、一四九、一五零3個團場。2008年八師投資7200多萬元實施莫索灣墾區(qū)安全飲水工程項目。項目新建了一座跨鎮(zhèn)集中供水工程、十戶攤水源地水廠和莫索灣中心水廠，新打機井7眼，開挖輸水管道總長133.7 km，建成6套自動遙測系統(tǒng)。

莫索灣水廠由水源地基站、中心水廠及3個分水廠組成。水源地基站建于距中心水廠19 km處，這一區(qū)域目前共建有7處取水泵房（泵房內的井深300 m），負責將地下符合標準的水抽取并輸送至水源地基站清水池內。水源地泵房通過3臺30 kW的變頻泵將清水池中的水加壓輸送至中心水廠。中心水廠處理后再由3臺變頻泵 （1臺37 kW，2臺75 kW）加壓輸送至3個分水廠，最終由各分水廠負責給團場供水。

1.2 水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)組成

1.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成與工作過程

自動監(jiān)控系統(tǒng)主要由取水泵房PLC系統(tǒng)、水源地基站PLC系統(tǒng)、中心水廠PLC系統(tǒng)及泵房水池PLC系統(tǒng)組成。PLC選用西門子公司的SIMATIC S7系列。系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖Fig.1 Waterworks automatic monitoring system network topology diagram

中心水廠控制室內上位機組態(tài)軟件控制整個水廠泵房的各個相關設備，顯示水池液位、管道壓力、供水流量、電機電流等參數(shù)，并設置有報警指示。允許監(jiān)控人員在人機界面上對參數(shù)修改，遠程控制生產(chǎn)設備。中心水廠主控室同時接收來自各PLC子站采集到的數(shù)據(jù)，如水池液位、水管壓力、泵組的電流電壓值等，顯示在上位機監(jiān)控界面上[1]。正常情況下監(jiān)控人員無需操作，水廠生產(chǎn)自動運行。當監(jiān)控界面報警時，水廠生產(chǎn)出現(xiàn)異常，監(jiān)控人員根據(jù)實際情況下達指令，手動修改對應參數(shù)。由上位機發(fā)送給相關PLC子站，完成處理動作，如取水泵的啟動或停止、變頻泵的調頻、電磁閥的關閉或打開等，控制水廠恢復正常。

1.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的通信方案

為了確保自來水廠生產(chǎn)過程的自動化控制，各個設備之間需要進行數(shù)據(jù)通信，所以選擇一種可靠性高、穩(wěn)定性好且經(jīng)濟合理，符合水廠實際需求的通信方式是水廠自動化建設中的重要部分。根據(jù)莫索灣墾區(qū)自來水廠的實際情況，選擇有線、無線并存的通訊方式較為經(jīng)濟。水源地水井群距離中心水廠19 km，距離較遠。采用無線網(wǎng)絡通信技術（無線數(shù)傳電臺）將水源地取水泵房PLC站與中心水廠聯(lián)系起來。中心水廠和各PLC子站中有大量的檢測儀表和控制設備，如液位計、流量計、壓力變送器、變頻器、電磁閥等。根據(jù)這些設備之間位置分散但距離較近的特點，選用較為簡單、經(jīng)濟、可靠的主從式485總線通信。

1.3 軟件總體設計

1.3.1 自動監(jiān)控系統(tǒng)中的組態(tài)過程

水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)使用組態(tài)王KingView完成上位機軟件的設計，包括控制組態(tài)和圖形顯示組態(tài)。

控制組態(tài)負責上位機組態(tài)王和下位機PLC的通信。組態(tài)王和S7-200系列PLC之間采用串行通信方式，使用標準485電纜連接上位機IPC的串口和PLC的PPI編程口，其中PLC的地址通過編程軟件Step7-MicroWIN進行設置。組態(tài)王按照MPI協(xié)議實現(xiàn)對S7-200 PLC中數(shù)據(jù)的讀取和控制指令的下發(fā)，完成控制組態(tài)。

圖形顯示組態(tài)負責創(chuàng)建顯示界面，并在運行過程時提供動態(tài)效果。界面創(chuàng)建過程中利用圖庫中的各種基本元件，包括水泵、反應器、攪拌器、儀表、管道、閥門等。同時使用繪圖工具中“歷史趨勢曲線”和“實時趨勢曲線”來完成顯示界面中相應的曲線圖表。對顯示界面上的相關文本框、曲線圖表等進行動態(tài)鏈接操作，完成圖形顯示組態(tài)。

1.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件功能

水廠監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集顯示、保存、報表查詢和參數(shù)異常報警等功能[2]，確保值班人員通過組態(tài)監(jiān)控界面實現(xiàn)對水廠各個環(huán)節(jié)的監(jiān)控。水廠監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

1）數(shù)據(jù)采集顯示功能。水廠監(jiān)控系統(tǒng)通過與PLC的通信，在監(jiān)控界面上實時顯示數(shù)據(jù)，使工作人員了解生產(chǎn)環(huán)節(jié)的情況。

圖2 水廠監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Waterworks monitoring system function block diagram

2）數(shù)據(jù)保存和報表查詢功能。管道壓力、電機電流、水池水位及供水流量等重要數(shù)據(jù)實時保存在數(shù)據(jù)庫中。報表上顯示中心水廠向各分水廠供水流量、管道壓力、水池水位及時間等。工作人員能夠查詢實時或歷史數(shù)據(jù)，為自來水廠的合理生產(chǎn)提供參考。

3）參數(shù)異常報警功能。水廠生產(chǎn)過程中出現(xiàn)某一環(huán)節(jié)參數(shù)異常時，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時報警，提醒工作人員處理，提高生產(chǎn)的安全性。

2 軟件設計

2.1 系統(tǒng)登錄界面

登錄界面添加水廠地理位置圖像，界面顯示整個供水管線的分布。界面左上部分設置“系統(tǒng)菜單”按鈕，單擊選擇下拉項中的“登錄”，輸入密碼進入水廠監(jiān)控系統(tǒng)。登錄界面上設置的矩形框分別代表水源地基站、中心水廠及3個分水廠。單擊矩形框進入對應監(jiān)控界面，如要進入中心水廠監(jiān)控界面，單擊畫面中的“中心水廠”矩形框跳轉到中心水廠監(jiān)控界面。矩形框中的藍色部分高度表示各水池水位情況。

2.2 水源地監(jiān)控

水源地7口機井負責將地下深層水抽取輸送至水源地清水池，泵房內3臺30 kW的變頻泵（1臺備用泵）從清水池內抽水加壓后輸送到19 km處的中心水廠。

主控室值班人員遠程監(jiān)控水源地基站運行狀態(tài)，負責7口機井的開啟/停止、變頻泵頻率的設定，維持清水池水位處于安全區(qū)間。清水池水位的安全區(qū)間為1.5 m～3.5 m，當水位值高于3.5 m或者低于1.5 m時，值班員停止或啟動部分機井，以減少或增加進入水池的流量；同時通過改變變頻泵的頻率來增加或減小出池流量，維持清水池水位值恢復至安全區(qū)間。夏季用水高峰期7口機井24 h常開，用水淡季只需開啟部分機井。冬季水源地清水池和泵房不需要工作，打開旁路電動閥，關閉主線電動閥，源水從機井抽取通過旁支管道直接送至中心水廠。

水源地監(jiān)控界面上方設置“去井群”按鈕，單擊進入井群監(jiān)控界面，如圖3所示。界面上顯示7口機井泵組電流、電壓，水井水位及管道壓力等參數(shù)。監(jiān)控人員通過對每口機井的“開啟”、“關閉”按鈕遠程控制機井的啟停。

圖3 井群監(jiān)控界面Fig.3 Well group supervisory interface

使用STEP 7 MicroWIN編程軟件編寫PLC程序。圖4為1號井PLC與STC-201數(shù)據(jù)采集程序中的部分梯形圖，完成讀取從站保持寄存器的數(shù)據(jù)功能。建議每一個讀寫功能（即MBUS_MSG）都用上一個MBUS_MSG指令的Done完成位來激活，以保證所有讀寫請求必須使用脈沖觸發(fā)。RW位讀寫操作，0表示讀，1表示寫。注意：開關量輸出和保持寄存器支持讀和寫功能；開關量輸入和模擬量輸入只支持讀功能。Count通訊的數(shù)據(jù)個數(shù)，Modbus主站可讀/寫的最大數(shù)據(jù)量為 120個字 （是指每一個MBUS_MSG指令）。DazaPra為數(shù)據(jù)指針，如果是讀指令，讀回的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中；如果是寫指令，要寫出的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中。

圖4 1號井數(shù)據(jù)采集部分程序圖Fig.4 No.1 well data acquisition part of the program diagram

2.3 中心水廠監(jiān)控

源水進入中心水廠處理后經(jīng)管道進入 2個1000 m3的清水池，泵房中的3臺變頻泵（其中2號變頻泵為備用工作泵）負責將清水池中的水加壓供給3個分水廠。

主控室值班人員主要負責監(jiān)控2個清水池水位，變頻泵的啟停狀態(tài)、工作電流和分水廠管道流量計的數(shù)值等。清水池4 m深，監(jiān)控系統(tǒng)在水位高于3.5 m或低于1.5 m時報警，值班人員接到報警提示后，手動改變中心水廠變頻泵頻率，增大或減小自來水出廠流量。同時改變水源地變頻泵頻率，改變進廠源水流量，使中心水廠清水池水位恢復到安全區(qū)間范圍。監(jiān)控界面上顯示當前清水池液位值、泵組電流、電壓值等參數(shù)，并在“歷史曲線”中實時顯示數(shù)據(jù)動態(tài)曲線[5]。

2.4 分水廠監(jiān)控

自來水從中心水廠出廠分流供給3個分水廠，如圖5所示。每個分水廠設置有2個1000 m3的清水池。值班人員遠程監(jiān)控各分水廠水池水位，通過控制中心水廠出水量和分水廠電磁閥的啟停狀態(tài)，控制水池水位處于安全區(qū)間。

3 結語

本文根據(jù)組態(tài)軟件KingView開發(fā)周期短、系統(tǒng)配置靈活及可靠易操作等優(yōu)點，開發(fā)了莫索灣水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件。監(jiān)控界面簡潔，清晰。運行結果表明，有效地降低了工作人員勞動強度，提高了水廠供水的可靠性和經(jīng)濟效益。

圖5 分水廠監(jiān)控界面Fig.5 Waterworks monitoring interface

[1] 賀代春.基于RS-485的自來水廠監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].重慶科技學院學報：自然科學版，2010，12（1）：137-139.

[2] 趙蘭，駱傳洋.基于組態(tài)王的智能儀表液位控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].鹽城工學院學報：自然科學版，2007，20（4）：24-27.

[3] 王偉星.自來水廠生產(chǎn)過程自動化的設計與實現(xiàn)[D].四川：電子科技大學，2012.

[4] 艾紅，鄧大偉，鄺野.遠程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].自動化儀表，2012，33（8）：31-33.

[5] 徐亞峰，劉煥強，顧曉峰，等.基于ZigBee和GPRS的遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013，41（3）：328-331.