基于組態(tài)王及多串口通訊的鐵路供水監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

摘 要：基于組態(tài)王及多串口通訊提出了鐵路變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想及實施方案，對系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了闡述，對系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計進(jìn)行了分析和研究。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于鐵路供水，達(dá)到了自動控制，節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：多串口通訊;組態(tài)軟件;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

　　在鐵路供水中，由于管網(wǎng)地理位置分散，而控制系統(tǒng)要求可靠、安全，故常采取現(xiàn)場手動操作、人工抄表、電話報數(shù)等調(diào)度方法，所以采集信息數(shù)量少、處理慢、傳遞遲，遇上爆漏或火災(zāi)等突發(fā)事故，反應(yīng)遲鈍、損失擴(kuò)大。這類監(jiān)控方式技術(shù)比較落后，很難適應(yīng)現(xiàn)代化的要求。因此基于先進(jìn)的控制技術(shù)設(shè)計一套全自動在線監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。

　　濟(jì)南鐵路局兗州水電站供水所，負(fù)責(zé)車務(wù)段、電務(wù)段、機(jī)車負(fù)載荷實驗室、建筑工區(qū)、鍋爐房、鐵路學(xué)校、醫(yī)院、公寓、宿舍等的供水，供水任務(wù)繁重，對監(jiān)控系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文介紹濟(jì)南鐵路局兗州水電站恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計

　　1.1 硬件設(shè)計

　　兗州水電站供水所共有深水井四眼，1號、3號井深120米，2號、4號井深80米，5號井備用。共配有深水井潛水泵4臺，運行方式采用3用1備的方式，可實現(xiàn)任意3臺泵的自由變頻組合。出口壓力為恒壓0.33MPa（0～1MPa可調(diào)），啟動方式為自耦降壓啟動。

　　根據(jù)供水所的工藝要求，監(jiān)控系統(tǒng)采用上、下位機(jī)組成的主從式控制系統(tǒng)[1]。在下位機(jī)選擇方面，系統(tǒng)選擇了專為工業(yè)控制設(shè)計的PLC，型號為歐姆龍公司的CPM2A。這是由于PLC采取了多層次抗干擾及精選元器件等措施，使其平均無故障時間通常在20000小時以上[2]。PLC 在監(jiān)控系統(tǒng)中一方面控制控制系統(tǒng)的啟動、停止，變頻泵組的選擇，另一方面采集設(shè)備的故障、報警信號。同時PLC把系統(tǒng)的開關(guān)量信號傳送給工控機(jī)，監(jiān)控軟件通過PLC完成對系統(tǒng)的控制和開關(guān)量信號的采集。在上位機(jī)選擇方面，系統(tǒng)選用ADVANTECH IPC 610工控機(jī)，以運行組態(tài)和監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的檢測。

　　本監(jiān)控系統(tǒng)中需要處理的模擬量信號分布于5個分散的水井和一個遠(yuǎn)距離的水塔，被控對象較分散，若采用板卡方式集中控制，布線及施工難度大、造價高，且信號的傳遞距離有限，不能很好的滿足系統(tǒng)的信號采集要求。鑒于此，系統(tǒng)采用模擬量采集模塊，可以通過RS—485在現(xiàn)場組成信號采集網(wǎng)絡(luò)，然后通過RS—485轉(zhuǎn)RS—232模塊，與計算機(jī)進(jìn)行串口通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程分散信號的采集、傳輸[3]。

　　基于整個供水系統(tǒng)的節(jié)能、自動化、可靠性以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，本供水系統(tǒng)采用變頻恒壓控制的模式。鑒于泵組中泵的最大功率為22KW，且采用3用1備，循環(huán)變頻的運行方式。所以系統(tǒng)選用的變頻器功率為30KW。考慮控制和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測要求以及性能價格比，選用的變頻器為SAMCO-VM05 系列SPF-30K-C型。

　　由于CPM2A、SAMCO-VM05、ADAM-4017需要與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊以實現(xiàn)系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集，故采用研華PCL849A多串口卡來實現(xiàn)串口擴(kuò)展。PCL849A卡提供了4個RS-232串口，可以滿足多臺設(shè)備的同時工作，并為以后的設(shè)備更新和升級提供接口。

　　因此本監(jiān)控系統(tǒng)控制部分由ADVANTECH IPC 610工控機(jī)、CPM2A可編程控制器、SAMCIO-VM05專用供水變頻器等組成。信號采集部分用模擬量采集模塊ADAM-4017、水位變送器、流量變送器、電流變送器、電壓變送器等。電路由自耦降壓器、中間繼電器、交流接觸器、熱繼電器、空氣斷路開關(guān)等組成。

　　系統(tǒng)的啟停，各設(shè)備的故障、報警，變頻泵的選擇，開關(guān)量信號的采集通過可編程控制器實現(xiàn)。泵組的循環(huán)變頻，壓力設(shè)定通過變頻器實現(xiàn)。電壓、電流、水位、流量、壓力等信號由相應(yīng)的傳感器采集，轉(zhuǎn)換為4～20mA的信號由模擬量采集模塊傳送到工控機(jī)。

　　在工控機(jī)上通過監(jiān)控軟件完成整個系統(tǒng)的信號采集，實現(xiàn)泵的啟停、選擇等控制，以及各設(shè)備報警、故障的檢測、顯示。

　　在本恒壓供水系統(tǒng)中，由“自動啟動”按鈕控制可編程控制器輸入寄存器的值，當(dāng)該按鈕動作后，PLC對4臺水泵的故障、4個深水井的下限報警以及余氯儀和變頻器的故障等進(jìn)行檢測。若符合條件，PLC使變頻器多功能輸入端子DI1輸入有效，此時變頻器運行。由“1號泵選擇”按鈕控制PLC擴(kuò)展模塊輸入寄存器的值。該按鈕動作后，PLC確認(rèn)變頻器可對泵組進(jìn)行變頻，使多功能輸入端子DI2輸入有效，1號泵被選中變頻運行。同理，2號泵，3號泵，4號泵以同樣的方式進(jìn)入變頻工作模式。如果要求對泵組全部進(jìn)行工頻運行，應(yīng)使變頻器無法啟動。本供水系統(tǒng)利用變頻器IRF端子輸入壓力變送器采集到的管網(wǎng)中的壓力值，該壓力信號為4～20毫安的模擬信號。變頻器根據(jù)設(shè)定的壓力值，對采集到的壓力值進(jìn)行處理，利用其內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)進(jìn)行頻率設(shè)定。

　　1.2多串口通訊方式

　　監(jiān)控系統(tǒng)中，工控機(jī)與PLC、變頻器、模擬量采集模塊是通過串口進(jìn)行通訊，原理如圖1所示。串口擴(kuò)展采用研華PCL849A卡來實現(xiàn)。PCL849A卡需要設(shè)置擴(kuò)展串口的地址、使用的中斷、通訊速度以及操作系統(tǒng)的類型等，這些都通過板卡上的多組跳線來完成。在設(shè)定擴(kuò)展串口的地址、中斷時，本文避免了操作系統(tǒng)已經(jīng)使用的地址和中斷號。利用組態(tài)王設(shè)備驅(qū)動程序可方便地實現(xiàn)與現(xiàn)場控制設(shè)備的通訊。組態(tài)王串口類邏輯設(shè)備是其內(nèi)嵌的串口驅(qū)動程序的邏輯名稱，對應(yīng)著與計算機(jī)串口相連的實際設(shè)備，以動態(tài)鏈接庫的形式供組態(tài)王調(diào)用。

　　為使PLC與監(jiān)控軟件建立通訊，需要對COM1口在監(jiān)控軟件中通訊參數(shù)如波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)傳輸位等進(jìn)行設(shè)定。CPM2A的I/O設(shè)備地址在組態(tài)王中的尋址范圍上限為31。CPM2A輸入輸出寄存器的在其編程軟件CX-Programmer中IR寄存器數(shù)據(jù)類型為離散性，在組態(tài)王中利用函數(shù)BIT（VAR，BITNO）讀取16個CPM2A的IR寄存器的值，其中參數(shù)BITNO為16位中對應(yīng)的通道號。在監(jiān)控系統(tǒng)中通過組態(tài)王的BITSET命令完成對泵群的啟停、變頻選擇等開關(guān)量信號的控制。

　　同理為使ADAM-4017與監(jiān)控軟件建立通訊，也需要對其通訊參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定。待ADAM-4017進(jìn)入INT＊狀態(tài)，檢索生效后，用ADAM　UTILITY　PROGRAM對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。為使監(jiān)控軟件與其進(jìn)行通訊，需要對其各項參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)定。Address 值為設(shè)置模塊在ADAM網(wǎng)絡(luò)中的地址值，每個模塊的地址唯一。ADAM網(wǎng)絡(luò)可支持256個可尋址的ADAM模塊，距離可達(dá)十多公里，每段可連接16個ADAM。當(dāng)需要增加模塊數(shù)量或距離超過1.2km時，可以通過增加ADAM-4510中繼器的方式解決。在ADAM網(wǎng)絡(luò)中，ADAM-4510和ADAM-4520不占用地址。由于每個ADAM-4017模塊默認(rèn)值為1，需要對其在網(wǎng)絡(luò)中的通訊地址進(jìn)行標(biāo)示、確認(rèn)，所以可對所用各模塊在單機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行地址寫入后，然后組建通訊網(wǎng)絡(luò)。ADAM-4017組網(wǎng)后，可以對各模塊的參數(shù)進(jìn)行更改、設(shè)定。在控制現(xiàn)場，本系統(tǒng)利用24伏直流電源和數(shù)個滑動電阻進(jìn)行各模塊的電壓采集測試，進(jìn)一步對電路和各設(shè)定參數(shù)檢查后，采集值初步符合要求，在此基礎(chǔ)上針對本監(jiān)控系統(tǒng)對各模塊利用信號發(fā)生器進(jìn)行了校準(zhǔn)。本監(jiān)控系統(tǒng)中通過ADAM-4017使用組態(tài)王采集電流、電壓、流速、液位等4～20mA的模擬量信號。

2 軟件設(shè)計

　　組態(tài)的概念最早來自英文configuration[4]，含義是使用軟件工具對計算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到計算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置，自動執(zhí)行特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的。由于組態(tài)軟件提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了項目開發(fā)周期，減少了開發(fā)費用，在工業(yè)控制中，國內(nèi)外的無數(shù)成功工程實例也充分證明了采用組態(tài)軟件是大勢所趨。鑒于此，本文采用了組態(tài)王進(jìn)行組態(tài)設(shè)計。

　　本系統(tǒng)開發(fā)的主要界面有：（1） 系統(tǒng)控制界面：實現(xiàn)系統(tǒng)控制軟件化，通過計算機(jī)完成電氣柜上的所有手動控制。變頻柜控制界面如圖2所示。

　?。?） 狀態(tài)顯示界面：該界面監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的運行情況，模擬系統(tǒng)的工藝流程。（3） 實時數(shù)據(jù)曲線顯示：監(jiān)視設(shè)備重要參數(shù)的變化趨勢，從而可以了解設(shè)備在一段時間的運行狀況，如各泵電流曲線、電壓曲線、泵工作狀態(tài)曲線、流量曲線、各井水位曲線、水塔曲線、管網(wǎng)壓力曲線等。其中泵的電流曲線如圖3所示。

　?。?） 實時報警處理：對系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，發(fā)出報警信號，按技術(shù)要求處理并自動進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備控制。如氯氣泄漏報警、消毒故障報警、各泵故障報警、水塔水位上下限報警、水井下限報警、余氯上下限報警等。（5） 報表記錄等：日監(jiān)測記錄、工作日志、月工作簿、月度報告、報表查詢等。

　　本監(jiān)控系統(tǒng)可以運行在基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)上，從而實現(xiàn)從下位機(jī)到上位機(jī)，到遠(yuǎn)程服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)化通訊。本監(jiān)控系統(tǒng)作為C/S模式，其服務(wù)器可以根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置為IO服務(wù)器，歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，報警服務(wù)器，登錄服務(wù)器和WEB服務(wù)器等。系統(tǒng)的一個站點在指定為一種服務(wù)器的同時，也可以兼作其他類型的服務(wù)器，同時還可以做其他站點服務(wù)器的客戶機(jī)。這種柔性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的整體容量并改善了系統(tǒng)性能。WEB服務(wù)器利用HTML等技術(shù)將設(shè)備運行畫面、各種動態(tài)曲線、報表等生成動態(tài)網(wǎng)頁，實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

3 結(jié)束語

　　該鐵路供水監(jiān)控系統(tǒng)已在濟(jì)南鐵路局兗州水電站安全運行多時（已通過山東省科技廳的鑒定，第942號），滿足了企業(yè)供水對自動化應(yīng)用的需求，為實現(xiàn)水廠的無人值班、少人職守、降能節(jié)耗和安全經(jīng)濟(jì)運行提供了新的解決方案。該系統(tǒng)實現(xiàn)了供水監(jiān)控遠(yuǎn)程化和信息網(wǎng)絡(luò)化，達(dá)到了節(jié)水降耗效果，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　創(chuàng)新點：本監(jiān)控系統(tǒng)所采用的多串口基于組態(tài)的實現(xiàn)方式為變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)提供了一種新的解決方案，并投入實際應(yīng)用，系統(tǒng)合理、可靠，滿足了企業(yè)供自動化的需求。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]汪傳生等.基于組態(tài)王6.5的實驗型密煉機(jī)控制系統(tǒng)，微計算機(jī)信息，2007，1-1

　　[2]邱公偉.可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用.北京: 清華大學(xué)出版社,2000

　　[3]馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù).西安：西安交通大學(xué)出版社,1998

　　[4]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,2001