组态软件在变频供水系统原理中的应用

 

摘 要：利用力控组态软件强大的HMI（人机界面）/ SCADA（监控和数据采集）功能，在上位机上应用组态软件来开发全自动恒压供水系统。在整个控制过程中通过编程实现了供水系统的自调整，设备远程操控，达到恒压、节能的效果，整个系统具有可靠性高，通用性强等特点。 

 

1 引言 

　　目前，中、小型水厂的供水系统基本上采用老式的手动式恒压供水控制系统。从水源井过来的水通过离心泵输往用户，而目前不少供水厂的现状是加压泵供水系统中的清水池离水源井较远，水池的液位高低和离心泵系统的设计以及如何与抽水的潜水泵“联动”是较难解决的，同时用户用水量的不确定性，难以利用精确的解析式数学模型进行闭环控制。 

　　基于上述情况，本文主要针对在中、小型水厂供水系统，提出了采用IPC+PLC作为中心控制单元，与变频器、软启动器、水泵电机及控制电路相结合构成闭环压力调节系统，通过三维力控组态软件对其进行优化控制自动恒压控制供水系统的组态，根据系统状态可快速调整供水量，使系统具有节能、工作可靠、自动控制程度高、经济易配置等优点。同时通过无线局域网技术较经济的实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的。 

 

2 变频供水系统组态软件 

　　组态软件是实现现场数据采集与过程控制的专用软件，其突出特点是实时多任务,可以实现数据采集与输出、数据处理、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务在同一台计算机上运行。 

　　组态软件可以不修改软件程序的源代码就能生成适合自己需要的应用系统。在生成应用系统时只需填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/0设备的实时数据进行逻辑连接，运行后，与被控对象相连的I/0设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性显示变化。 

　　鉴于组态软件面向HMI/SCADA的特点，在上位机上应用组态软件来开发水厂的监控系统，可以大大缩短开发周期，提高了系统的运行效率，实现分布式检测、集中式管理的功能。 

 

3 变频供水系统的硬件设计 

　　水厂的控制系统一般采用上位机与下位机相结合的体系结构，体现了“分散控制、集中管理”的现代控制思想。水厂自动监控系统，与所有过程控制计算机系统一样，从硬件上可以分为检测仪表、计算机输入输出接口、计算机以及控制执行机构四大部分。本系统采用现场操作站和控制站两级控制结构。系统操作站主要由以下几部分组成：上位机（工控机），PLC，软启动器等。控制站系统包括主机系统、通讯系统、I/O接口及变送器等组成部分。 

 

　　现场数据的采集由液位传感器、温度传感器、流量传感器等现场智能仪表来实现，各模块与模块之间都是相互独立的，某一路信号发生问题不会影响其它信号。系统采用点对点接口网络，PLC框架采用内部总线，PLC与计算机之间采用RS-485/232通讯接口。现场仪表层和下位机控制站通过松下PLC、现场控制阀门和现场仪表共同完成对现场数据的采集与现场设备的控制。上位机操作站由IPC（工控机）、三维力控组态软件和后台数据库组成，完成整个恒压供水系统的监控。 

　　变频供水系统具备同时控制多台水泵的功能。水厂自动监控系统主要由中央控制室与各水源站分控制室组成。根据不同需要可以采取多台水泵同时运行、定时换泵等多种工作方式。泵电机采用软启动。恒压供水系统组态如图2所示。 

 

变频供水系统组态 

　　中央控制室有工业控制计算机、变频器、软启动器、LED（电子显示屏）及PLC等现场设备。中央控制室以四台额定功率为138KW的离心泵电机为例对外恒压供水，1号和2号电机的启停由变频调速器控制，3、4号电机的启停由软启动器控制。中央控制室自动供水系统恒压供水控制信号由压力传感器、液位传感器、智能电量表等现场仪表获得。智能电量表可以显示线电压、相电压、电流、电能等电量参数，可直观地监测到当前电网和电机运行的状况，以保证能及时地发现故障和预防事故的发生。 

　　分控制室主要控制的是水源井的抽水泵，每一个水源井有三台额定功率为90KW的潜水泵电机，其从水源井中向外抽水，它们的启停由软启动器根据供水需求由系统自动控制。 

　　由于监控系统中的中央控制室与水源井控制站距离较远，而两地之间无高阻碍物，考虑以后的维护方便、经济，故采用无线网桥将两站进行连接，从而实现实时数据共享。 

 

4 变频供水系统的软件实现 

　　在水厂自动恒压变频供水系统中，控制算法是软件的核心，除此算法外还应该有计算机与自动化仪表连接的硬件接口和方便操作的人机交互界面等辅助软件，这些软件都是由一个组态软件组态以后来协调运行，本系统北京三维力控组态软件。系统的管理软件可实现远程遥控分控制室水源井潜水泵电机和中央控制室清水池离心泵电机的启停操作及实时采集各现场仪表的数据。 

　　4.1、控制策略 

　　中央控制室变频系统24小时内交替启动1号和2号离心泵电机，软启动系统控制着3或4号电机，中心所变频器根据控制量的大小进行恒压供水，而中心所软启动器可以根据中心所变频器变频频率与实时压力的大小决定是否启动3或4号电机。例如，在某个用水高峰时段，当中心所恒压供水压力和变频频率在一段时间内持续在0.48MPa和44Hz以上时，中心所自动监控系统将自动启动3或4号离心泵电机。同理，在用水低谷时段，当中心所恒压供水压力和变频频率在一段时间内持续在0.42MPa和37.5Hz以下时，中心所自动监控系统将自动关闭3或4号电机，只需用变频启动一台电机供水。其它情况由中心所变频系统自动控制电机的工作状况。此外，系统还可以监控电机及阀门的工作状态，监测变频频率、出水压力、运行时间、工作电流、工作电压、有功功率、耗电量、水泵阀门开关状态及出厂水质指标。 

　　启停3或4号电机可以根据单个电机在一定时间里的单耗确定优先使用哪台电机，从而决定电机的使用与检修，例如：单耗=（累计用电量×1000）/（累计扬水量×全扬程），累计用电量和累计扬水量可由现场仪表读得，全扬程为一固定值。决定开启几号电机该电机则在组态软件中编程实现。

 

　　分控制室软启动器可对水源井中的潜水泵进行启停控制，根据中央控制室清水池的液位自动启停分控制室潜水泵电机。启停分控制室电机和启停3或4号电机的方式一样。 

　　4.2、软件架构 

　　水厂自动监控系统的软件结构如图5所示。 

 

水厂自动监控系统的软件结构 

　　1.通讯网络管理 

　　通讯网络是监控系统中连接各控制单元、操作单元、管理单元的命脉。相对于监控系统的多级层次结构，网络系统也由多级网络组成，并具有高可靠性，实时性，灵活性的优点。 

　　2. 实时数据库组建 

　　实时数据库通过实时操作系统的设备管理调用，经I/0模块接收或发送数据至工业现场，它保存系统正常运行所需的各种信息，并向其它任务模块提供所需要的各种数据。本系统定义了一系列数据用于反映监测和被控对象的各种属性，如：温度、压力、流量、电流及开关量、必须的中间变量和间接变量。 

　　3. 数据I/O接口 

　　组态软件具有良好的开放性，对于采用不同通信协议的I/O设备，组态软件提供具有针对性的I/O驱动程序，实时数据库借助I/O驱动程序对I/O设备执行数据的采集与回送。这些数据经现场变送器变换、传送，再通过放大、隔离、滤波、A/D转换等处理，输入到计算机处理，其控制输出通过输出接口、D/A转换、驱动，输出到各输出通道，到达工业现场执行。一台运行实时数据库的计算机通过若干I/O驱动程序可同时连接任意多台I/O设备[4]。 

　　4. 动态流程显示 

　　本系统的组态软件的流程画面技术支持数值、棒状图、调整曲线、趋势曲线、历史曲线等功能。监控系统显示功能以图形方式在显示屏上显示水厂供水的流程，动态显示当前的工况和运行状态。相应的参数显示在对应的位置上，使运行管理人员能及时了解供水系统的运行情况。中央控制室的LED大屏上显示分控制室的三相电压，运行电机电流，以及中央控制室的变频器频率，工作压力，送水流量，使管理人员能看到当前的运行情况，增加了水厂运行的可靠性和安全性。 

　　5. 趋势记录和历史数据库 

　　工业控制计算机通过趋势记录和历史数据库管理任务，可以方便地对数据进行采集、存储和分析。可以帮助操作人员对系统中的各点进行横向分析、比较，可以将一段时间的数据存储起来，进行变化趋势分析，故障时可以进行故障跟踪与故障原因分析。 

　　6. 在线组态 

　　本监控系统成功地实现了在线组态，实时数据库生成、实时趋势记录生成、流程动态显示，控制系统可以在不干扰恒压供水正常生产的情况下，迅速有效地生成有关控制作用。 

　　7. 动画连接 

　　建立数据库中的数据与图形画面中图形对象的连接关系，使画面根据实际数据的变化来产生动画效果，实时显示水厂供水过程中的清水池液位、工作压力、送水流量等。动画连接过程中还可以使用脚本编辑器进行编辑。如无线网桥网路中断时报警信息： 

 

5 结束语 

　　本文介绍了利用三维力控组态软件在水厂自动监控系统中的生产应用的实施。恒压变频供水系统是水厂自动监控系统中的一个重要环节，电机的启停与启停电机的台数将直接取决于实际压力的大小，而实际压力的大小由用水量来决定。本文就实际生产运用中遇到的问题根据生产要求进行了系统设计，解决了一些实际问题。经过实际运行证明，设计是成功的，系统能有效的降低资源损耗，能较好避免系统受外界干扰产生的数据突变等不稳定因素而影响生产，增加了水厂的效益，取得了良好的效果。 

　　本文创新点：本系统的中央控制室变频系统采用的控制策略是在用水量不同的情况下，由程序自动调整设定压力，根据设定压力自动跟踪变频频率，从而决定是否要启动和关闭中心控制室离心泵。将设定压力调整为不同的值是因为在用水量高峰时，要避免因供水压力不足而造成高地势用户无水可用以及变频器总处于满负荷状态而减少其使用寿命;在用水量不大时，要避免因实际供水压力过小而造成变频器变频频率过低无法正常运行。这样既保证了变频器的使用寿命，又大大节约了能耗，为水厂生产增加了效益。