基于組態軟件的水網數據采集系統設計

張燕妮，蔡麗萍，趙鳳英

（青島城市學院，山東 青島 266000）

目前城市供水壓力越來越大，水資源不足，水環境越來越惡劣，而且水資源管理技術不合理、效果不理想，區域供水都是由市政管網經過二次加壓和水塔、高位水池等設施來實現。但是，不同時段用戶用水量也不同，所以存在供水與用水不平衡的現象，更多表現為供水壓力的變化。供水量比用水量少，壓力就會較低，反之供水壓力就會較高。本設計采用根據實際壓力進行水泵運行狀態的切換運行和壓力穩定時3臺水泵循環運行的方式，使得在同一時刻1臺變頻器只控制1臺水泵的變頻，可大幅度減少自動供水系統的建設成本。

1 系統組成

該套系統由1個液位傳感器、組態控制畫板、3臺水泵、1個壓力傳感器、1臺變頻器以及PLC構成。結構如圖1所示。

圖1 水網數據采集系統結構

在3臺水泵中，各臺泵的出水管均設置有手動閥，對水量進行調節及維修，3臺泵協調運行以保障供水需求。首先，PLC程序控制變頻器起動，以預先設定好的壓力設定值與壓力傳感器在供水管道中測量的壓力實際值進行比較，用兩者的偏差信號調控PID的同時把所設定的信號傳輸至變頻器。再根據所設置的加速時間、頻率給定信號，變頻器對水泵的轉速施加控制，以使水壓的波動保持在壓力的上下限內，實現恒壓。同時，運行頻率達到上限后，變頻器會向PLC傳送頻率到達信號，而PLC程序會結合以上信號判斷第2臺泵（或者第3臺泵）啟動與否。如果變頻器運行頻率達到上限后，并在一定時間內保持，那么PLC會切換泵的運行狀態由變頻為工頻，并迅速起動下一臺泵。PID在此時仍舊會分析壓力傳感器傳輸的信號并計算，對變頻器的運行頻率進行控制，使管壓的變化保持在壓力設定值的上下限內。

2 系統硬件選型

西門子S7-300的CPU型號非常豐富，各型號對應的相關參數、技術標準都有一定的差異。而CPU指標技術涵蓋了計算速度、編程資源、存儲量、通信資源等方面，通常CPU模塊包含DC24Ⅴ連接器、MPI、狀態和故障指示裝置、RS-485編程接口、后備電池、模式選擇開關。部分型號CPU還配置了存儲卡、PROFIBUSDP（現場總線接口）等。

本設計中的自動供水系統程序量中等，所占用存儲空間不大。供水系統的工作不是高精度工作，所需要的通信資源和編程資源不多。但本設計需要和工作現場通過現場總線進行連接，所以需要PROFIBUSDP（現場總線接口）。

綜合以上需求，本設計最終選擇S7-300CPU的型號為CPU 315-2DP。CPU 315-2DP基本指標：48 KB工作內存，0.3 ms/1 000條指令，MPI+DP連接，多排最多可組態32個模塊。適用于中或高程序量、聯網、有PROFIBUSDP分布式結構要求的設備[1]。

變頻器主要通過電力半導體器件轉換工頻電源，得到其他頻率的電能控制設備，可實現眾多功能，如改變功率因素、交流異步電機的軟起動、過流/過壓/過載保護、變頻調速、提高運轉精度等。

選擇變頻器時需結合生產機械的靜態速度精度、類型、起動轉矩、調速范圍等，選出契合度最高的變頻器。契合度最高，也就是經濟、好用，且可滿足生產與工藝的基本要求。

采用MciorMaster430系列變頻器，型號為6SE6430-2UD27-5CA0。MicroMaster430系列變頻器特別適合用于水泵和風機的驅動，功率為7.5～250 kW。該變頻器靈活性與可靠性高，能夠實現旁路功能、多泵切換、節能運行、手動/自動切換、斷帶及缺水檢測等功能。

本設計選用MciorMaster430系列，型號為6SE6430-2UD37-5FB0的變頻器，此變頻器使用的是微處理器，功率輸出器件使用的是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），功能多樣，運行可靠性較高。變頻器的脈沖寬度調制可以選擇開關頻率的，所以電動機具有更低的運行噪聲。加之保護功能完善、全面，使電動機與變頻器被較好保護。

循環水供水總管出口壓力測量范圍為0～1 MPa，循環水回水總管出口壓力測量范圍為0～1 MPa，消防水池液位測量范圍為0%～100%。

3 系統的監控方案

3.1 上位機的選擇

上位機選用研華工控機，可適應工業現場的惡劣環境，可長時間不間斷運行。

用研華公司的工控機代替普通PC機后，系統的抗干擾性、穩定性、不間斷性得到大大提高。采用的研華工控機具有以下特點：采用鋼結構，有較高的防磁、防塵、防沖擊能力；機箱內有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽；機箱內有專門電源，電源有較強的抗干擾能力。操作系統為WindowsXP。

3.2 模塊的選擇

模塊選用ADAM-4000系列模塊，該系列產品是通用傳感器到計算機的小型接口單元。該系列產品具有內置的微處理器、堅固的工業級塑料外殼，使其可以獨立提供智能信號調理、模擬量I/O、數字量I/O、數據顯示和RS-485通訊等功能[2]。

3.2.1 通訊模塊的選擇

通訊模塊為研華模塊ADAM-4520和RS232轉RS485模塊。

3.2.2 采集模塊的選擇

數據采集模塊為研華模塊ADAM-4117/8路模擬量輸入模塊（電壓和電流均可）、ADAM-4015/6路熱電阻輸入模塊（PT100信號）和ADAM-4024/4路模擬量輸出模塊。

3.2.3 控制模塊的選擇

數據采集控制器為研華模塊ADAM-4055/16路隔離數字量輸入模塊和ADAM-4168/8路繼電器。

3.3 監控中心

為了集中監視和管理企業消防管網的數據，在上位機安裝了組態王軟件，完成對整個消防系統的監控，組態王軟件畫面友好，通用性好，可以實現消防水池儲水液位、管道進水壓力、管道出水口壓力、報警信息等功能，實現消防系統的自動監控和集中管理功能。其監控面面如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖

數據報表一方面可以及時顯示整個生產流程的生產狀況，另一方面可以長時間對生產流程的參數進行整合、對比，讓操作人員及時了解和對比生產數據。

數據查詢：ReportSetHistData2(2，1)。

報表清除：ReportSetCellString2("Report2"，2，1，100，30，"")。

本設計為自動供水上位機系統設計了實時曲線畫面，如圖3所示，可以使操作人員通過曲線的實時變化直觀監控系統中的管網壓力和水池水位。

圖3 趨勢曲線

4 實現的控制任務

4.1 實時數據采集顯示和控制

運用數據采集模塊實時采集現場溫度、壓力、流量、液位等檢測點及設備啟停等控制點。上位機安裝組態王組態軟件系統，建立模擬現場實際系統的畫面，接收下位機的實時數據信息，并直觀顯示在顯示界面中供操作人員查看。用數據采集控制器對相應的數字量進行控制。

4.2 手動/自動功能

手動功能：由操作員控制閥門的開關，測試閥門是否正常，系統調試運行的時候也用手動功能生產。

自動功能：閥門開關、狀態切換按照規定的時序自動運行，處于正常生產狀態。

4.3 參數設置

本系統可以對生產水泵的停泵連鎖液位值進行設定。通過雙擊畫面中相應的文本處進行模擬值輸入，然后將設定的參數下發到數據采集控制器來控制系統工作。

4.4 液位連鎖控制功能

采集到的液位數據除了實時顯示以外，系統還根據液位數據的大小對相應的水泵開關進行控制，以保證水池的液位處在正常水平。此系統的消防水池液位和生產水泵構成液位連鎖控制，當消防水池的液位值小于設定值時，生產水泵就得停泵，以保證消防水池的液處于正常水平。

4.5 水泵連鎖控制

本系統設置了高壓消防水泵連鎖控制和低壓消防水泵連鎖控制。當處于連鎖控制狀態，高壓消防管網壓力開關開啟時，高壓消防水泵a和高壓消防水泵b為一開一閉狀態；低壓消防管網壓力開關開啟時，低壓消防水泵a和低壓消防水泵b也是一開一閉狀態。

4.6 曲線繪制

根據采集到的實時數據，通過上位機中組態軟件的歷史記錄窗口，可以繪制歷史庫中任意參數的實時曲線和歷史曲線。

5 結束語

本自動控制系統的主要特點如下：設備實時監控控制；自動、手動切換控制運行；可生產出質量穩定的合格產品；操作容易，在上位機上完成全部操作。

該自動控制工藝與傳統工藝相比具有自動化水平高、操作簡單、產品穩定、容易維護的特性。此次研究對實際生產具有很高的指導作用，不僅可以提高企業的生產效率，而且會產生可觀的經濟效益。