（系统分析与集成专业论文）分布排水泵站远程控制结构设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 城市排水系统遍布整个城市，是一个广地域分布的复杂系统，泵站污水流入 量具有非线性、大滞后性和随机性等特点，不合理的排放控制方式易造成泵站高 能耗，甚至污水溢出污染。进入2 l 世纪，环保和节能倍受人们关注，污水泵站 的安全、高效运行自然而然受到越来越多的重视。 论文根据污水管网系统特性，详细探讨和研究了基于网络的分布排水泵站远 程控制系统。首先，针对排水系统远程网络控制的要求，构建了既相对独立又相 互联系的上位工控机为核心的网络控制系统和下位p l c 为核心的本地控制系统， 设计了控制系统网络组成及结构，分析了控制系统关键模块的工作原理，并结合 系统构建过程中遇到的难题给出了切实可行的解决方案。其次，探讨了泵站排污 节能机理，建立了城市排水系统优化模型，提出了改进型分段变频控制策略和网 络协调优化控制策略，进行了现场运行试验，验证了控制策略的有效性。然后， 针对本系统传感器故障引起的故障诊断失灵问题，提出了一种新颖的故障综合诊 断方法，通过视频监控系统抓拍控制面板图像，识别关键关联信息，再融合传感 器信息给出系统故障综合判定，实例验证了方法对传感器不正常运行导致的故障 误报和工况异常报警具有良好效果。最后，针对系统人机界面，设计了基于组态 软件的排水泵站界面监控系统，泵站管理人员可以方便地观测现场工况、历史曲 线以及班组报表，变换机泵机组运行模式等操作。 关键词：污水泵站远程控制网络协调故障诊断组态软件 i i i a b s t r a c t u r b a nd r a i n a g es y s t e m sa r ec o m p l e xs y s t e mw i t hw i d eg e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o n a n dt h r o u g h o u tt h ee n t i r ec i t y b e c a u s eo ft h ei n f l o wo fs e w a g ep u m p i n gs t a t i o nh a s c h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r i t y ，t i m e - d e l a ya n dr a n d o m i c i t ye r e ，u n r e a s o n a b l ee m i s s i o n c o n t r o lm e t h o dw i l lc a u s eh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o no fp u m p s ，e v e np o l l u t i o no fs e w - a g eo v e r f l o w s i n c ee n t e r i n gt h e2 1s tc e n t u r y ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y c o n s e r v a t i o nh a v eb e e na l w a y sp a i dm u c ha t t e n t i o n s a f ea n de f f i c i e n to p e r a t i o no f s e w a g ep u m p i n gs t a t i o nh a v e b e e nr e c e i v e dm o r er e c o g n i t i o n b a s e do nt i l es e w a g ep i p en e t w o r ks y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c s ，w e b b a s e dr e m o t e c o n t r o ls y s t e mo ft h e d i s t r i b u t e dp u m p i n gs t a t i o nw a sd i s c u s s e da n da n a l y z e di n d e t a i l s f i r s t ，b a s e do nt h ep r o p o s e dt h es e c u r i t ya n de f f i c i e n to p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s o ft h ed r a i n a g es y s t e m ，ah o s ti n d u s t r i a lc o m p u t e rn e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma n dal o c a l b a c k - u pp l cc o n t r o ls y s t e mw a sb u i l tw h i c hw e r eb o t hi n d e p e n d e n ta n dm u t u a l l y c o n n e c t e d t h ec o n t r o ls y s t e m sn e t w o r ks t r u c t u r ew a sd e s i g n e d , t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fm o d u l e sw a sd i s c u s s e d ，a n dp r a c t i c a b l es o l u t i o n sa i m i n ga tt h ei n v o l v e d p r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ep r o c e s sw a sp r o p o s e d s e c o n d ，t h ep a p e rd i s c u s st h e e n e r g y s a v i n gm e c h a n i s mo ft h es e w a g ep u m p i n gs t a t i o n ，o p t i m i z a t i o nm o d e lf o ru r b a nd r a i n a g e s y s t e m sw a sp r o p o s e d b a s e do nt h es u b - f r e q u e n c yc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ei m p r o v e d c o o r d i n a t i o na n dn e t w o r ko p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y ，f i l e dr u n n i n gt e s tw a sc a r r i e d o u t t h er e s u l to ft h ef i e l dt e s t sp r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h es t r a t e g y t h e n , an o v e l c o m p r e h e n s i v ef a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do nv i d e om o n i t o r i n g w a sp r e s e n t e d a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fd i a g n o s t i cf a i l u r e s c a u s e db ys e n s o rf a u l t t h ef a u l t d i a g n o s i sc a nb em a d eu s i n gt h ec o r r e l a t i v ek e yp a r a m e t e r sa n dr e a l t i m eo p e r a t i o n d a t ao ft h eu r b a nd r a i n a g es y s t e m a p p l i c a t i o no ft h es y s t e mv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t y a n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d , e s p e c i a l l yu n d e rt h ea b n o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s f i n a l l y ，a ni n t e r f a c em o n i t o r i n gs y s t e mo f t h ep u m p i n gs t a t i o nw a sp r o p o s e db a s e do n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e p u m p i n gs t a t i o nm a n a g e r s c a l le a s i l yo b s e r v et h es i t e i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n d i t i o n s ，暾o f i c mc u r v ea n dt e a mr e p o r t s ，a l s oc a r lc h a n g et h eo p e r a t i o nm o d eo f m a c h i n ea n dp u m p k e y w o r d s ：s e w a g ep u m p i n gs t a t i o n , r e m o t ec o n t r o l ，n e t w o r kc o o r d i n a t i o n ，f a u l t d i a g n o s i s ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e v 浙江大学硕二七学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期刊。年岁月7 日 签字日期：年夕月莎日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文即将付梓之即，首先对导师汪雄海教授在我整个攻读硕士研究生期间的 悉心指导表示衷心的感谢。汪老师知识渊博、治学态度严谨、对学生认真负责，言传 身教了许多科学研究的方法和做人的道理，从他身上学到的很多东西将使我终身受益。 感谢各位实验室同门在科研学术和课题研究上给予的帮助。在学术氛围浓厚 的实验室我得到了很多启发，实验室成员何中杰、张琴、余振廷、郭晓芳、邬莉 娜、李双双、黄美春、杨成成、苏国军、陈丽琳、宋春福、夏莹莹等，在完成论 文的工作中提供了许多帮助，在此表示感谢。对于大家的关心、帮助以及友谊， 我无法忘怀，在这里祝你们学业有成，前途似锦! 还要感谢我的父母、亲人、朋友，在我求学的阶段一直给予了关心和照顾! 最后向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家致以真挚的谢意! 同时再 次对所有曾给予过我关心与帮助的老师、同学和亲朋好友表示感谢。 张伟于求是园 浙江大学硕学何论文第一章绪论 1 1 城市排水系统简介 第一章绪论 随着我国城市化进程的加快，城市人口急剧膨胀，城市水体污染和水资源短 缺现象日趋严重恢复我国水环境的主要途径修建和完善污水处理厂，提高污水 处理程度，促进水的健康循环但截至2 0 0 6 年底，我国还有2 4 8 个城市没有建 成污水处理厂，至少有3 0 多个城市约5 0 多座污水处理厂运行负荷不足3 0 。酴 了管理不善、监督不力、体制不垒等原因，城市水污染主要原因是城市缺乏完善 的排水和废水处理系统。城市排水系统起到污水集中排就处理、促进净化、再生， 有利于绿色环保的城市建设。 城市排水系统”。遍布整个城市，是一个广地域分布的复杂系统，由集水井、 地下输送管道、分布排水泵站和污水处理厂组成，收集、输送和处理日常生活污 水工业生产废水及部分自然降水等m 1 。受地势高低因素影响，为了加快地下 管道污水的漉速，城市排水系统通常采用泵站逐级提升水头加压的方法”3 ，梯 级链式提升污水排送到污水处理厂。以杭城为例：整个排水系统由两座污水处理 厂和遍布全市的60 多座排水泵站构成，每座泵站配备有四台以上大功率潜水泵， 用于提升污水。图11 为杭州市排水系统区域泵站及菅网分布图。 。 ，： ， ； 圈1l 杭州市排永系统区域泵站及管网分布圈 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着工业的发展，城市污水总量年年攀升。据国家环境保护总局统计，近2 0 年间，全国污水排放总量增加了2 倍之多。仍以杭城为例，杭城日均污水1 5 0 万立方米，年量5 5 亿立方米，每年至少需处理近5 亿立方米的污水。污水从各 泵站送到远郊处理厂链级提升次数约为4 6 次，以4 级排放计，杭城每年的提 升污水量达2 2 亿立方米。由此可见，随着城市化的发展，排水系统在社会可持 续发展中起着越来越重要的作用。 1 2 排水泵站控制系统现状、发展趋势及存在问题 由于城市污水管道分布在整个城市范围内，需要在管网上配套建设污水泵站， 控制水泵机组来提升废水向污水处理厂送水。每个泵站蓄水能力有限，若不及时 有效地排除流进污水，可能导致污水溢出污染，影响人们日常生活。随着经济的 持续发展、污水总量的不断增大，排水泵站的合理控制日渐显得重要。 排水泵站控制系统是集机械设备、电力设备和水利工程的综合控制系统，在 灌溉、排涝、航运补水和市政供水等方面起着非常重要的作用。在污水泵站控制 系统中，大功率水泵机组是主要控制对象n 1 1 。据统计，上世纪八十年代总装机容 量10 0 0 k w 以下的小型泵站大多采用2 4 小时人工值守运行方式，人工记录泵站运 行数据报表，手动控制格栅、闸门及水泵机组的启停，自动化水平落后。进入九 十年代，随着计算机技术、控制技术的发展，城市排水控制系统经历了计算机辅 助控制和计算机分散控制n 2 1 两个发展阶段：计算机分散控制系统可实现对进水池 水位、污水流入量的采集、分析和处理，控制水泵机组动作，实时记录泵站系统 运行参数，状态，以及视频监视现场等功能。目前，城市排水泵站普遍采用基于 本地计算机的分散控制方式，这种方式下区域泵站间缺乏信息交互。跨入新世纪， 由于计算机网络传输技术、远程控制技术的进步，基于网络的分布式控制系统n 朝 得到了快速发展。 所谓分布式控制系统( 简称d c s ) ，又称为集散控制系统是以多个微处理器为 基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现分散控 制对象的调节、监视和管理，系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。每个 控制子系统能独立工作，如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制，并能通 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 过网络与中央服务器进行数据交互，实现中央集中获取数据、集中管理和集中控 制等功能。1 9 7 5 年美国霍尼韦尔第一套分布式控制系统t d c s - 2 0 0 0 问世以来， 分布式控制系统已经在工业控制的各个领域得到了广泛的应用，以其高度的可靠 性、方便的组态软件、丰富的控制算法，开放的联网能力，逐渐成为过程自动控 制的主流，自然也成为城市排水控制系统的发展方向。 分布式控制系统集分散仪表控制系统和集中计算机控制系统优势于一体：地 理分布趋于分散、逻辑功能趋于集中。将分布式控制系统很好地应用于复杂的城 市排水系统中则有其一定难度，主要有下述两方面原因： ( 1 ) 分布式控制系统以网络为核心，网络对于整个d c s 系统的实时性、可 靠性和扩充性起着决定性的作用。然而国内城市排水系统很少配有网络通讯系 统，大多仍以人工值守方式运作。 ( 2 ) 城市排水系统泵站、机泵数量多，功率大，污水管网分布错综复杂， 泵站间存在链级耦合关系。常规控制策略难以实现串级泵站间的协调，很难达到 全局最优。 随着环保和节能受到越来越多的关注，城市排水控制系统面临更多新的问题 与挑战，主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 远距离分布排水泵站污水流入量具有不确定性、大滞后性及非线性等 特性，较难实现合理有效控制。目前普遍采用的低水位控制方式n 4 1 ，水泵机组启 停频繁，影响机泵寿命且对电网冲击严重，同时泵机运行效率低、耗能大，难以 满足日益关注的节能节电要求 ( 2 ) 分布排水泵站间存有链级制约关系，上级泵站泵水量将直接影响下级 泵站运行工况。目前排水控制系统大多采用本地计算机分散控制方式n 纠钔，这种 控制方式下泵站间缺乏协调，易出现局部地区污水溢出污染，城市排水安全、环 保要求较难保证。 ( 3 ) 泵站控制系统由传感器、控制器、显示仪表、水泵机组等多种设备组 成。控制功能的实现取决于关键设备的正常工作。至今为止，设备故障的发现排 除完全依赖于传感器的稳定性。若传感器自身出现故障，系统极可能发生误报， 甚至丧失报警功能，因而设备安全存有隐患。 浙江大学硕士学位论文第章绪论 1 3 远程控制技术及其在分布排水泵站系统中的应用 通常人们往往依据被控对象和控制器的远近将控制系统分为：本地控制和远 程控制。在因特网遍布全球，各种先进网络技术日新月异的今天，远程控制的应 用领域日趋广泛，服务种类逐步增多。远程控制通过网络实现通信，位于本地的 设备是操纵指令的发出端，称为主控端，非本地的被控设备叫做被控端。这里所 讨论的“远程”不等同于远距离，主控端和被控端可以位于同一局域网的同一房 间中，也可以是连入i n t e r n e t 的处在任何位置的两台或多台设备。远程控制技 术乜5 1 以网络为依托，实现动态监控、实时反馈、信息查询及远程操作等功能。 远程控制软件部分由客户端程序( c 1l e n t ) 和服务器端程序( s e r v e r ) 组成。 主控端执行客户端程序，向被控端设备中的服务器程序发送信号，建立一个特殊 的远程服务，然后通过这个远程服务，发送工况信息，被控端接收所有客户端信 息后运行特定应用程序，生成控制命令并通过网络回送至各主控端执行。 远程控制其本质是控制系统与信息网络的融合。控制系统各站点将实时数据 信息上传、写入信息网络数据库服务中心，用户可随时进行浏览、查询工作； 同时，用户可下达控制命令至控制系统的指定工作站点。通过加入路由器、网桥 等转换接口使原本相对独立的控制系统成为信息网络的扩展与之紧密融合。转换 接口的集成方式功能较强，但实时性较差。目前远程控制系统中信息网络大多选 择采用t c p i p 传输协议的以太网，网络协议决定了远程控制命令在网络中传输 的实时性和完整性，在网络控制的稳定性起着至关重要的作用。使用t c p 协议来 实现网络传输，t c p 提供了可靠的数据传输，当网络负荷较轻时，具有稳定、连 接成功率高等优点，适用于状态量时变缓慢同时对控制可靠性要求较高分布排水 泵站系统。 为更好的实现控制网络与信息网络的融合，使用o p c 作为通信接口。o p c 全 称是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，是一个工业标准，包括一整套接口、属性和方 法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统，为基于w i n d o w s 的应用程序和 现场过程控制应用建立了桥梁。采用o p c 技术，可以方便地建立现场信号、人机 界面软件以及某些应用软件平台的连接，从而实现控制系统与信息网络的数据交 互。 上世纪末，随着网络技术的飞速发展，远程操作及控制技术逐渐受到人们的 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 关注。基于开放网络和通用协议的远程网络控制技术也逐渐应用到城市排水系统 中来，国内外许多专家、学者对此做了深入研究。波兰学者h a r t m a nm 等人早 在2 0 0 2 年就提出了基于g s m 一9 0 0 网络的污水泵站远程控制方案乜们。后来 f a r m e r 等人采用高频无线信号，为区域污水收集设计了一个多点监控和数据采 集( s c a d a ) 系统比7 1 。2 0 0 7 年，s h y a n g - 9l i l iy a n g 针对网络时延引起的稳定 性问题，研究了基于分层结构和i n t e r n e t 的单闭环网络反馈控制啪1 ，减小了网 络诱导时延对控制品质的影响。国内学者也做了相当多的研究，2 0 0 4 年顾遥瞻町 等人提出了基于公共电话网及全球移动通信网相结合的通信网络，用以数据传 输监控泵站的运行及数据采集。2 0 0 7 年，庄亚俊等b 也就不确定性的网络时延 导致的远程控制品质降低问题做了深入研究，提出基于误差修正的改进b p 神 经网络来预测互联网不确定性时延的方法。2 0 0 8 年，郭晓芳等”1 1 提出基于 k a l m a n 预测算法来改善网络控制系统中数据包丢失问题。 虽然网络通信技术、英特网发展迅猛，但不确定时延的网络丢包、网络中 断等难题给基于网络的远程控制技术在城市分布排水泵站系统中的应用带来众 多挑战。 1 4 课题意义及主要工作 城市污水的安全排放及有效节能控制直接关乎环保和节能两大主题，逐渐被 人所重视。新世纪，人们对污水排放的安全性、合理性及高效性提出了更高的要 求。然而，目前国内污水泵站控制系统自动化水平整体不高、每个泵站独立运行， 信息共享不够。因分布排水泵站污水流入的不确定性，常规的控制策略难以平衡 泵站系统污水流入量和泵出量，不能满足防溢出和低耗能的双重要求。显然探索 寻求一整套城市排水节能优化控制系统兼经济效益和社会效益。 本文针对目前分布排水泵站控制系统面临的几种问题，对城市排水系统进行 了深入探讨和研究，所做的工作主要有： 第二章提出了分布排水泵站远程控制系统的组成及网络结构，设计并实现了 以工控机为核心的远程网络控制系统和以p l c 为核心的本地控制系统。本地工控 机通过以太网与远端中心服务器建立连接，实现数据交互和信息共享。中心服务 器集中获取区域内所有泵站参数信息，运行以区域能耗最优为目标的协调控制程 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 序，并将所生成的控制命令回送到各个本地工控机执行，实现区域内污水泵站的 协调运行。以p l c 为核心的本地控制系统用以保证工控机异常情况下排水系统不 间断运作。 第三章针对区域排水系统输入干扰多、滞后大及非线性等特点建立了区域泵 站优化模型，在认真分析排水泵站工作原理的基础上，探索了节能机理，得出了 抬高水位、降低扬程，减少水泵提升污水重力做功的节能原理，提出了改进型分 段变频控制策略，探讨了区域优化综合控制策略，并进行了模拟试验，验证了策 略的有效性和可行性。 第四章提出了分布排水泵站系统故障综合诊断方法，给出了故障诊断系统结 构图和工作原理。对诊断过程中的难题给出了解决方案，其中对图像的快速、准 备识别给出了详细的说明。最后通过实例应用验证了诊断方法的可行性。 第五章给出了泵站控制系统人机界面的设计及实现。为了便于观测泵站各部 件状况及控制机泵运转，首先利用组态软件绘制系统效果图、机泵状态图、报警 图和报表等，数据库组态通过r s - 2 3 2 串口直接与p l c 进行通讯，获取系统参数， 并通过脚本语句将组态数据库转存到本地工控机s q l 数据库中，方便查询。 第六章对全文进行了总结和展望。总结了研究工作，展望了分布排水泵站远 程控制发展方向。 6 浙江大学硕士学位论文第二章分布持水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 第二章分布排水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 2 1 引言 分布排水泵站控制系统是一个多目标控制的大系统，具有地域分布广、多变 量耦合等特点。目前普遍采用的分散控制方式n 2 。3 习，泵站依据各自工况运行排污， 缺乏必要的信息交换难以实现区域协调。常规的集中控制方式b 纠们受网络信号中 断、阻塞、数据丢失等因素的影响，控制效果也不理想。通常从控制的可靠性出 发，针对大系统设计具有多个控制核心的分层控制结构。选择计算能力强大、组 网方便的工控机作为污水泵站的上层控制核心，建立基于网络的远程控制系统， 实现协调优化调度。再以性能可靠的p l c 为下层控制核心，构建本地控制系统， 确保排水系统长期不间断运行。本章研究了城市排水系统分层控制系统组成及结 构，并重点讨论了区域泵站下层本地控制。 2 2 分布排水泵站远程控制系统组成及网络结构 基于分层控制结构的城市排水系控制统如图2 1 所示： i 节洲尸严 i 一 ：，抖、 9 g g g g i | 二 图2 1 基于分层控制结构的城市协调排水系统示意图 浙江大学硕士学位论文第二章分布排水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 如图2 1 所示，分层控制系统由两个相对独立又相互联系的上位工控机为核 心的网络控制系统和下位p l c 为核心的本地控制系统组成，既能利用中央服务器 实现信息共享及区域协调优化控制，又可通过本地控制系统弥补工控机故障引起 的控制盲区问题。 2 2 1 上位工控机为核心的网络控制系统 以工控机为核心的城市排水上层网络控制系统如图2 2 ，选用传输效率高的 以太网作为共享网络平台，泵站现场工控机通过r s - 2 3 2 串行直连方式，获取p l c 采集的泵站进水池水位、污水流量等工艺参数，再将信息传送至中央服务器，保 存于数据库。中央服务器再通过区域协调优化决策知识库实现排水系统多目标控 制。服务器还能进行丢包补偿，用以应对无法局部网络丢包、延时问题。 遵网一 一站黟一举 聪韩磁韩 图2 2 以工控机为核心的上层网络控制系统结构图 图2 2 所示的远端用户不仅可以进行数据访问，监查泵站现场工况，还能设 置机泵运行参数和实现远程手动控制。 显然，网络控制系统功能的实现取决于网络控制信息的及时、准确传输，而 网络控制系统中信号传输的实时性和完整性受网络协议的影响最大。因此，网络 协议的选择对保证网络控制的稳定至关重要。通信协议约定了数据格式、同步方 式等内容，本课题选用的t c p i p 协议是网络中使用最为广泛的一种开放的通信 协议。i p 层负责接收更底层数据包并将数据包发送到t c p 层，t c p 则进行错误 浙江大学硕士学位论文第二章分布捧水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 检查，并将它送到更高层应用程序。相反，应用程序轮流将信息送回t c p 层， t c p 层便将数据包下传到i p 层。该协议独立于特定的计算机硬件与操作系统， 可以运行在区域网、广域网，更适用于互联网中。统一的网络地址分配方案，使 得整个t c p s p 设备在网中都具有唯一的地址。s o c k e t 又称为“套接字”，用于描 述i p 地址和端口，是t c p a p 网络的a p i ，s o c k e t 接口定义了许多函数来开发的 应用程序。本课题所研究的上位工控机网络控制系统中的通信均采用流式s o c k e t ( s o c ks t r e a m ) 接口实现向网络发出请求或者应答网络请求。首先中心服 务器使用s e r v e r s o c k e t 监听指定端1 2 ，等待下位泵站的连接请求，接着各泵站工 控机使用s o c k e t 对网络上的中心服务器制定的端口发出连接请求，一旦完成连 接即可产生会话，实现泵站参数传输，同时服务器综合区域内所有泵站信息，生 产协调优化控制命令，并将命令信息下送至下位泵站，此时一个周期的会话完成， 服务器端关闭连接继续监听，客户端工控机也关闭s o c k e t 结束本次连接。 2 2 2 下位p l c 为核心的本地控制系统 上位工控机具有高速的计算能力，可以实现复杂的网络协调控制，使得区域 泵站污水排放能耗的最优。然而任何电子设备都会有部件磨损，进而导致硬件故 障。当系统上位工控机出现硬件故障或控制程序发生错误时，为确保污水排放系 统不问断运行，需构建下位p l c 为核心的本地控制系统，清除工控机的控制盲区。 本地控制系统硬件电路组成如图2 3 ，主要由各类传感器、变送器、p l c 、变频 器、数据板卡和继电器等设备组成。 图2 3 本地p l c 控制系统硬件电路组成方框图 浙江 硕士学位论!第= 章分布捧承泵镕远程控制系统结构、i 作服目及宴现 以p l c 为核心的控制系统的硬件框图如图2 3 ，控制系统软件架构主要由数 据采集处理和本地智能优化控制两个环节组成。 ( 1 ) 教据采集处理环节 0 p j , t 0 nc p l l 型p l c 台带的四个 d 模拟采样通道，循环扫描控制系统外围传 感器、变送器采集到的水位流量信号、工控机输出控制量以及系统主电路电流 信号。以水位信号采集为例进行说明，如图24 所示，利用西门子超声波传感器 将进水池水位转化成标准4 2 0 m a 电信号，通过取绞屏蔽线搂入到p l c 模拟量 输入模块，再编写数据采集程序段实现电信号的采集、转化、保存与显示。 焉需黑需譬? 霉零= i _ q9 t 一日o 召笋 l f i r ；高 葚n l i i腊 ! 图24 水位信号采集程序段 其中2 0 0 w 2 0 、w 1 0 2 、w 5 1 、2 1 1 为p l c 内部寄存器，传送指夸( t t 0 v ) 执行 时间为o3 , u s ，上、下限位控制指令( l m t ) 执行时问为2 72 3 i t s 。 同时，p l c 扫描数字量输入模块端口，实时监剥继电器运断状态，变频器启 停状态、工控机工作状态等，保证排水系统的安全、稳定工作 ( 2 ) 本地智能优化控制环节 本地智能优化控制环节由控制权智能判定和p l c 分段变额优化控制两部分组 成。该环节工作流程围如图2 5 ，工控机工作正常时，控制系统进行网络优化协 浙江大学硕士学位论文笫二章分布排水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 调控制，下位p l c 则实现周期循检。当p l c 检测到工控机异常时，通过智能判定 子环节p l c 获得系统控制权后，进行分段变频控制，同时给出工控机故障报警并 继续周期检测。 图2 5 本地智能优化控制工作原理图 图2 5 中控制权智能判定子环节的硬件电路主要由凌华p c i - 7 2 3 0 板卡、 o r m o n 2 4 v 继电器组成，将在下文对此环节作进一步说明。 当工控机发生异常，p l c 取得控制权后，排水系统进入分段变频优化控制模 式。如图2 5 所示，p l c 采集当前水位信号，并与保存在某寄存器中的上周期水 位做比较，判断泵站水位趋势，计算水位变化速率。当进水池水位较低时，不改 变或适当降低当前控制频率使泵站水位快速上升至最佳目标水位；当水位上升略 低于目标水位且仍处于快速上升趋势，则需增大机泵转速，减小水位上升速率， 浙江大学硕士学位论文第二章分布排水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 平缓逼近目标水位；当水位高出最佳水位但水位成下降趋势，则可保持当前控制 频率不变；当水位低于目标水位且继续降低时，则应降低当前工作频率，保证机 泵高效运行。若当前水位值高于上限阈值，点亮高水位报警信号灯。相反，当出 现水位低于下限阈值，则需进行机泵停机动作。 2 3 分布排水泵站远程控制系统模块工作原理 基于分层结构的排水泵站控制系统主要由信号输入输出接口模块、控制设备 模块和系统故障处理模块组成。 2 3 1 信号输入输出接口模块 输入输出接口设备选用欧姆龙公司c p i i - i 型p l c ，有2 4 个数字输入点和1 6 个数字输出点，另集成了四个a d 输入单元，两个d a 输出单元，每个通道可独立 进行a d ，d a 转换，输入输出的模拟电流或电压信号为4 2 0 m a ，0 1 0 v ，分 辨率分别为2 7 9 a ，1 7 v 。 ( 1 ) 水位测量仪表及调校 本系统借用原系统中的西门子超声波水位变送器，型号为：z m l 。在变送器 与控制室之间的信号传输采用三线制，供电电源为2 4 v 直流电源。由于无法获取 变送器最初校准系数，需重新对水位变送器进行现场调校，获得数据如表2 1 ： 表2 1 超声波水位变送器现场调校信号 水位m - 1 3- 1 1- 0 9- 0 70 5一o 3 根据表2 1 拟合出污水泵站水位一信号曲线，如图2 6 所示： f ( x 1 = 0 6 2 5 x 一8 4 3 1 ( 2 1 ) 浙江大学硕士学位论文第二章分布摊水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 污水泵站水位信号曲线 图2 6 污水泵站水位一唐号拟合曲线 此种调校方法也可用于其它相似系统中，当原先系统中已配备工作良好的设 备时，通过对设备的简单校准便可将其用于新的系统中，既不影响原系统运行方 式又减小了项目初期设备资金投入。 ( 2 ) 工控机控制信号及调校 系统选用研祥8 1 2 p g 工业数据采集卡，带有两路标准0 i o v 电压信号d a 输 出接口。当串接p l c 的a d 端口时，受工作电流上限限制不能产生出标准全段 0 1 0 v 信号。其现场调试数据如表2 ，板卡端口电压在0 5 v 段为正常比例关 系输出，后半段则表现出截止现象，为此选用前半段信号作为控制量输出信号至 p l c 控制器彳d 模块中。 表2 28 12 p g 采集卡d a 口现场调校信号 i _ _ _ _ - _ - - - - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - - - _ - _ _ - - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 板卡端口数据( 4 0 9 5 ) 0 2 5 65 1210 2 42 0 4 82 5 2 4 3 0 0 0 4 0 9 5 端口电压信号v 00 6 21 2 72 4 9 5 0 15 6 25 6 25 6 2 数据采集量( 6 0 0 0 ) 0 3 7 27 5 61 4 9 63 0 0 23 3 4 93 3 5 03 3 4 2 ( 3 ) 其他输入输出接口 控制系统的其他a d 、d a 端口均采集或给出标准电压电流信号，主要包括电磁 流量计采集实时流量转化成标准4 2 0 m a 信号、主电路的电流转换器生成 浙江大学颈学位论文第二苹分布捧女泵站远程控制i 统镕构、i 怍理厦实现 4 2 0 m a 信号、p l c 控制器输出0 1 0 v 标准电压控翩信号至变频器和0 1 0 v 电 压信号至8 1 2 p g 板卡a i d 口等。数字端口相对简单，这里就不多论述。 2 32 控制设备模块 分布排水泵站分层结构控制系统设计了两个控制核心：上位工况机和下位 p l c 。上位工控机是泵站现场p l c 与远端中心服务器交互的枢纽，本课题中选用 了研祥8 10 系列工控机作为上位网络控制核心，如图27 。 图27 研祥工工控机实物囤 该工控机配有若干p c l 、p c i 插槽、r s 23 2 4 8 5 串口以及网卡设备可以通过 阿线接八方式与中心服务器建立连接，实现数据传输和网络协调优化控制功能。 下位p l c 则是实现工控机输出信号与外部执行机构进行连接的桥粱。选用一 欧姆龙c p i h 型p l c 作本地控制系统核心部件，如图2 8 所示， 目28c p i h 型p l c 实物图 该p l c 数字量输出接口采用继电器输出方式，可吐驱动交流直流负载。通 浙江大学硕士学位论文笫二章分布捧水泵站远程控制系统结构、工作原理及实现 过r s 2 3 2 串行方式实现与工控机的数据交互。系统i o 口分配表如下表所示， 表2 3c p l hp l c 的i o 口分配表 名字符号功能说明类型其他 1计算机故障o 0 0一用二备，主要用于判定d i 标志 0 0 1 计算机是否正常工作 2 变频器 o 0 6用于判定变频器故障d i变频器综合输 故障出口 3 自动启动 o 1 1自动运行启动按钮d i 4 自动停止 1 0 0自动运行停止按钮d i 5 高水指示 10 0 o o 高水位报警指示灯( 红) d o 6 过流指示 10 0 0 1 系统过电流指示灯( 红) d o 7 信号分流 1 0 0 0 2 用于与原系统信号交互 d o切断和接通信 号线路 8 接触器 10 0 0 4 负责主回路接触器的通断 d o 9 。计算计故障 10 1 0 0计算机故障指示灯( 红) d o 指示 1o变频器1 0 1 0 4变频器故障指示灯( 红) d o 故障 1 1水位采集2 0 0负责采集超声波水位传感a d 信号4 - 2 0 m a 器信号精度0 - 6 0 0 0 1 2计算机2 0 1负责采集计算机板卡信号a d 信号0 - 10 v 控制量精度0 - 6 0 0 0 1 3流量采集2 0 2 负责采集电磁流量计的信 a d 信号4 - 2 0 m a 号精度0 - 6 0 0 0 1 4 系统电流 2 0 3 负责采集系统电流信号 a d 信号4 - 2 0 m h 精度0 - 6 0 0 0 1 5 控制量 2 1o 输出控制量信号至变频器 d a 信号0 - 10 v 输出口精度0 - 6 0 0 0 1 6水位 2 1 1 输出水位信号至数据板卡 d a 信号0 - 1 0 v 输出口精度0 - 6 0 0 0 由于各传感器采集信号受工况负荷变化及变频干扰较为严重，因此在软件设 计时通过五次采样求均值的数字滤波方法实现模拟量通道的均值滤波，提高了控 制系统的抗干扰能力。 2 3 3 系统故障处理模块 控制系统利用特定外围硬件设备检测被控对象、执行机构、控制器和传感器 等设备运行工况，如机泵综合保护器检测水泵机组温度、泄露情况，变频器综合 浙江大学额学位论文第= 章分布捧水幕站远程控制系境结构、i 怍4 厦宴现 故障输出口反映变频器工作情况，p l c 某些特定寄存器位显示传感器状态等p l c 程序循环扫描特定寄存器状态，综合判定泵站排水系统是否出现故障。机泵及 变频器故障检测程序段如图29 所示： qq q自目 l 喇t l k ，口口f e 日$ 目口口a 0 自j r _ 图2 9 机泵及变频器故障桂测程序段 下面以过电流故障为例进行说明。如图2i0 ( b ) ( b 】，利用2o 倍率的电流互 感器将动力线0 1 0 0 a 电流转化成副端的0 5 a 再接入电流变迭器，输出标准 4 2 0 m a 电信号供p l c 采集 傻霹 ( a ) 电流互感器( b ) 电流变送嚣( g t 色器件 图210 机泵电流采集实物囤 p l c 适过上述设备可采得系统运行电流值太小，再与设定阐值进行比较判定 浙江丈学硕士学位论文第= 章骨布捧m 泵镕远程控 自i 系统结构、i 作原理及实现 系统是否发生过电流。如若异常则需迅速停机特机，点亮报警指示灯。这里需特 别注意机泵瞬时启动电流远远大于先前设定闻值，因此需要设置一个计时罂，排 除启动电流引起的误报。 2 4 泵站远程控制系统构建及难点解决方案 以杭州市某区域污水泵站作为对象，选用研华e v o c 工控机欧姆龙c p l h 型 p l c 高性能静音式变颠器、研华p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡、凌华p c - 7 2 3 0 板卡等 设备构建出污水泵站本地控制系统，控制柜实物图如图2 1 1 所示。 圉21 1 泵站控制柜实物图 如图2 1 1 所示，控制柜左侧构成p l c 本地控制系统，右侧则主要通过工控 机在专用啦太网基础上实现基于网络的远程控制系统。两部分既相互独立又相互 联系。相互独立主要表现在当右侧工控机为中心的上位控制不能正常工作时，左 浙江大学硕学位论女第- 章分布| f 水站程控制系境结构、i 作原理及实现 侧p l c 仍可接管控制枉，保证排水系统长期不问断运行。联系则主要体现在上位 网络控制命令必频下传到p l c 执行、动作，p l c 也需要上传教据到工控机，实现 组态显示和数据共享功能。 分布排水泵站的分层结构控制系统保证了排水系统的稳定运行，同时也带来 7 控制权切换和变频信号干扰的难题。下面就这两个难题给出了相应切实可行的 解决方案。 2 41 控制权切换问题 为结合了工控机和p l c 的各自优势，将复杂的网络协调优化控制在工拉机中 进行，同时利用p l c 的可靠性和稳定性来保证工控机异常时，排水系统仍可正常 工作为此需要实现水泵机组不停机工况下的排术系统控制权切换 首先p l c 需要准确判定工控机异常与否，主要包括工控机硬件损坏、操作系 统死机、控制程序崩溃等故障。不管何种故障，工况机异常统一表现为控制量恒 定。相反，一段时间内控制量不变并非一定表明工控机出现异常。因而不可直接 将p l c 获得恒定控制量作为判定工控机故障的依据。同理，当工控机发出霉值控 制量的工况时，也不可因未获有效控制量即认定计算机故障 工控机每控制周期向p l c