水務行業職工培訓用SCADA系統

楊俊明（天津市引灤工程潮白河管理處　天津）

水務行業職工培訓用SCADA系統

楊俊明
（天津市引灤工程潮白河管理處天津）

針對水務行業職工電氣技術培訓不足的問題，建立培訓室，依托先進自動控制設備，搭建SCADA系統。介紹SCADA系統主要組成及實現方法。SCADA系統投用后，職工培訓效果良好。

水務職工培訓SCADA系統模擬仿真PLCPROFIBUS-DP總線

一、概述

水務行業電氣設備需要不間斷運行，使得青年職工平時無法更新調試或用作電氣教學培訓。引灤工程潮白河管理處新建培訓室，依托培訓室先進的自動控制設備，搭建SCADA系統，模擬泵站整個自動控制流程，演練真實泵站中機電設備的全部操作，以提高青年職工業務水平和知識技能。SCADA系統參照真實泵站架構，在保留泵站系統功能基礎上，相應完善配套設施，為適應新技術、新設備和新方法，系統預留硬件接口及豐富的擴展API以滿足日后升級改造需求。培訓室SCADA系統包括下位機智能控制系統、上位機HMI系統和通信網絡（圖1）。

圖1　培訓室SCADA系統架構

二、下位機智能控制系統

下位機智能控制系統主要負責采集SCADA系統中各種輸入信息、控制輸出設備，涉及的下位機主要有傳感器、電磁閥、電機、PLC和智能儀表，其中PLC是核心，通過其實現大部分的數據采集和控制功能。

1.PLC選型

經過多方調研，管理處最終選用西門子SIMATIC S7-300系列產品。該系列產品配備多種不同性能等級的CPU，以及為應對不同電氣狀況而研發的擴展模塊，可根據不同控制環境選擇特定功能模塊。PLC組件選型見表1。

表1　PLC組件選型

2.控制系統設計

培訓室內建有1個沙盤，具備系統控制所需的水泵、壓力變送器和電磁閥等設施設備。設備分工：①液位計實時監測前池水位變化；②改變電磁閥開度模擬供水流量變化；③變頻器改變頻率實現電機軟啟動；④調節水泵葉片角度控制輸水流量范圍；⑤壓力變送器實時監測水泵內管道壓力；⑥熱電偶實時監測電機及水泵溫度；⑦冷卻風機對水泵進行降溫處理；⑧流量計實時監測輸水流量。

（1）下位機智能控制系統屬于自動控制系統，PLC、變頻器和智能儀表是控制器；液位、壓力、風速和流量等是被控對象；低壓水泵、電機、電磁閥和冷卻風機等是執行結構；液位計、熱電偶和壓力變送器等是變送器。

（2）該系統中，水泵開?？刂?、電磁閥及風機啟閉等順序控制均屬于開環控制；水泵葉片角度的自動調節屬于閉環控制，被控對象為前池水位，控制器為葉片角度調節裝置。

（3）系統主要是將采集的前池水位作為PID控制指令的輸入，經過分析處理和自整定后作用于水泵葉片角度的調節，根據前池水位變化自動調節葉片角度。調節器采用PID控制方式。P、I、D參數整定采用工程整定法，依據經驗，直接在系統上反復調節驗證，方法簡單，易于掌握。在實際調試時，先設定1個經驗值，然后根據調節效果再進行修正。雖然SIMATIC S7-300系列PLC產品可利用自身閉環控制模塊實現PID控制，但為實際驗證不同參數對控制結果的影響，增加兩塊具備PID調節功能的宇電AI808智能儀表。

3.PLC控制程序編制

（1）編程語言選擇。培訓室選用西門子公司標配STEP 7 V5.4編寫PLC控制程序。為滿足不同自動化任務所需，STEP 7支持Statement List（STL）、梯形圖（LAD）和功能塊圖表（FBD）等3種標準化編程語言?？紤]到管理處人員實際情況，編寫控制程序主要以梯形圖為主。梯形圖非常接近于繼電器電路，很容易被熟悉繼電器控制的新老職工掌握，方便、易讀且便于調試，特別適合于數字量邏輯控制。

（2）程序邏輯設計。為盡可能全面真實模擬水泵設備運行情況，參照泵站設備實際情況，自動控制系統設置的正常開機條件［1］有：①油壓裝置壓力正常；②真空破壞閥已關閉；③停機繼電器未動作；④低壓空氣儲氣罐壓力正常；⑤前池水位達到開機允許水位；⑥水泵葉片角度為-8°；⑦同步電機未投勵；⑧機組斷路器為閉合狀態。

8個開機條件全部設置為數字量輸入信號，當其值全部為1時滿足開機條件，執行正常開機任務，上位機組態畫面顯示水泵葉片運轉并在沙盤上模擬水體流動。前池水位數據設置為模擬量輸入，沙盤內液位計將實時液位信息以4～20 mA電信號輸入至模擬量輸入輸出模塊，后傳輸至CPU。水泵葉片角度既為模擬量輸入，也為模擬量輸出。培訓室PLC控制程序以開停機過程為核心，主要邏輯流程見圖2、圖3，涉及的各種信號量見表2。

圖2　開機流程

三、上位機HMI系統

上位機HMI系統與SCADA系統的數據庫及軟件相連，讀取設備相關信息，實時顯示各種趨勢、診斷數據及相關信息。上位機HMI系統包括硬件和軟件兩部分。硬件部分主要是觸摸屏或通用PC，軟件部分是運行在PC機上的組態軟件。組態軟件以圖形界面形式顯示系統整體信息，并動態模擬系統中的狀態變化。

圖3　停機流程

表2　PLC系統信號量

Windows平臺下常用組態軟件主要有Wonderware公司的Intouch、GE公司的iFiX、Citect和西門子公司的WinCC。培訓室內PLC已選用西門子產品，組態軟件選用對應的WinCC 7.0，其與SIMATIC S7-300系列PLC在軟硬件上無縫集成，可實現高效率數據傳輸，并且能直接使用STEP 7中的符號變量表，運行時也能直接跳轉到STEP 7的功能塊，并可啟用STEP 7的硬件診斷功能，方便故障分析調試。

1.組態畫面設計

培訓室SCADA系統組態畫面邏輯樹見圖4。

2.報表設計

培訓室SCADA系統通過PLC采集大量數據，對數據進行分析后將數據記錄分為3類：①周期性記錄，如電壓、電流、溫度和葉片角度等；②非周期性動作觸發記錄，如分合閘狀態改變、報警信息等；③動作觸發產生的周期記錄，即分合閘或報警后各種電壓電流的數值變化信息。最基本和最常用的周期性報表設計樣式見圖5，樣式設計完畢，應用WinCC報表系統進行詳細設計。WinCC用戶歸檔編輯器可在通用PC上建立數據庫連續保存數據，其圖形化的編輯界面可快速組態WinCC歸檔控件，以圖表等樣式顯示系統的運行數據。當需要對歸檔的數據進行訪問時，可以使用WinCC的歸檔控件或安裝Connectivity Pack選件編寫腳本程序讀取數據。WinCC V7.0用戶歸檔控件可實現工具欄的動態化。例如，動態化打開控件的組態對話框，其腳本程序是VBScript：ScreenItems（“Control1”）.ToolbarButtonClick=2。生成的報表可連接打印機實時或定時打印，打印內容也定期以CSV文件形式存儲，方便日后查找。

圖4　組態畫面邏輯樹

圖5　報表設計圖

四、通信網絡設計

培訓室內通信網絡分為兩部分：①以PROFIBUS總線構建的PLC與PC之間的通信網絡；②應用工業以太網技術建立的與管理處內網相連接的OPC服務器。

1.PROFIBUS-DP總線控制系統

西門子公司研發的PROFIBUS（Process Field Bus，過程現場總線）是目前應用最廣泛的現場總線。在自動控制系統與分布式設備通信時，PROFIBUS-DP在數據的傳輸速率、整體效率及通信成本等方面具有明顯優勢。該培訓系統PROFIBUS-DP總線組成：SIMATIC S7-300系列PLC中集成PROFIBUS-DP主/從站接口的CPU 315-2DP作為一類DP主站；通用PC作為二類DP主站；系統中各種傳感器、電機、電磁閥等作為DP從站。通過西門子公司的PCI卡CP 5611完成作為一類主站的PLC與二類主站通用PC的通信，其網絡拓撲見圖6。

2.工業以太網及OPC服務器

工業以太網是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強大區域和單元網絡。OPC是一個工業標準，定義了應用Microsoft操作系統在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數據的方法，為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁。

3.SCADA系統OPC服務架構

（1）培訓室內OPC服務設計思路。硬件部分使用CPU315-2DP完成運行控制，利用通信模塊CP343-1，使用TCP/IP協議將SIMATIC S7-300接入管理處內部網絡，以現有的網絡設備為基礎，將SCADA系統的預留端口接入內網，從而實現系統整體的遠程訪問。軟件部分使用SIMATIC NET網絡通信軟件和STEP 7編程軟件配置OPC服務，其中SIMATIC NET軟件可為支持OPC服務的非西門子公司的組態軟件（如Intouch、iFiX、Citect和國內的組態王等），提供訪問PLC數據信息的API。

圖6　PROFIBUS-DP總線網絡拓撲

（2）應用OPC服務也能解決系統數據不能被編程語言直接訪問的問題。OPC作為自動控制系統數據訪問的通用模式，簡單配置即可實現PLC和PC的通信。配置完成后，使用Visual Basic、Delphi、C#、JAVA等程序設計語言編寫客戶端程序，訪問PLC及PC內的各種數據，并通過圖形界面，可視化展現數據。需要指出通信網絡中的核心模塊CP343-1中僅一個RJ45接口接入管理處內網，當網絡需要進行功能擴展或組件升級時，可直接連接至空閑的RJ45接口，以滿足系統變更需求，不必大幅度更改網絡拓撲。

五、應用效果

培訓室建成后，超出預想效果，系統運行穩定，取得顯著經濟和社會效益，主要表現在以下幾方面。

（1）縮短了新職工學習時間，提高了學習效率。依托培訓室的先進設備和SCADA系統，經歷短期業務培訓和模擬練習，新職工即可熟悉泵站日常工作所需理論知識及大部分實踐操作技能，相當于系統建成前學習積累多年的熟練程度，同時可接待本系統其他單位新職工的培訓工作。

（2）真實泵站發生故障后，方便技術骨干總結分析故障原因。機組出現故障時，為影響正常輸水工作，要及時準確排除故障，基本無暇細致分析故障原因。培訓室SCADA仿真系統投用后，在排除真實泵站的故障后，可通過培訓室內設備進行故障模擬，探尋故障原因，研究出多套解決方案，并詳細分析其利弊。日后出現類似故障時，可更加快速高效解決問題。

（3）培訓室內設備，尤其是PLC系統，具有很強的擴展能力，通過新增功能模塊和添加新型科技設備，拓展原有系統功能，不斷進行科技創新，構建實驗模型，為日后在真實泵站應用提供有價值的參考。

（4）培訓室內沙盤和水泵模型嚴格遵循真實泵站比例，泵站及配套設施設備全貌一覽無余。在接待領導及參觀人員時，先在培訓室內將泵站整體情況做清晰明確講解，再去泵站現場時，對泵站概況已經有一定認識，可深入講解實際泵站的設施設備，并有針對性地對比講解不同規模泵站的機電設施設備差異及控制保護系統差距。

潮白河管理處培訓室，成功實現了電氣模型復現實際電氣控制系統，填補了水務行業中水泵運行仿真控制系統的空白，實現了對水泵及配套機電設備整體模擬，加快了水務工作者的知識更新速度，全面提高了水務工作者的技能水平，在華北地區乃至全國都具有很強的前瞻性，在技術上保持領先地位。

1 徐澤林.泵站機電設備維修工與泵站運行工［M］.河南：黃河水利出版社，1995

〔編輯凌瑞〕

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