（电气工程专业论文）基于以太网的恒压供水远程监控系统设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 本文主要阐述了基于以太网的恒压供水系统及其远程监控系统的设计。 目前，国内大部分城市供水系统仍然沿用传统的人工控制方式。有的供水系 统虽然增加了恒压控制的功能，但对于整个供水系统的信息化管理并没有实现。 当系统需要进行功能转换和功能扩展时，需要对原来的系统进行大规模修改甚至 全部重来。 现代高质量、高水平的供水系统要求能够实现恒压供水，即系统能够根据用 户的用水量自动调整供水压力，同时，还能将系统所有的运行状况及相关参数在 相应的监控系统中实时反映出来，同时能实现对系统的远程访问和监控。这样系 统不仅仅是一个能提供高质量供水服务的控制系统，而且还是综合了监视、控制 和信息处理为一体的管理信息系统，代表了现代工业自动化控制技术的高新水平 及发展方向。 本文设计的恒压供水系统采用一台变频器控制三台水泵循环工作的方式，中 心控制器为可编程控制器，以设定压力和反馈压力为控制目标，实时采集水管压 力，通过p i 调节器形成闭环控制系统，两台水泵电机不分主次，轮流工作，在 变频和工频间不断切换，第三台为夜间小流量水泵电机，从而实现恒压供水的目 标，均衡了各台水泵电机的工作时间和磨损。通过工业以太网将上位机与现场控 制设备相连接，通过w i n c c 软件在控制中心上位机上编写图形化控制界面，实时 地监视和控制远程的现场控制器。 关键词：恒压供水远程监控工业以太网 1 1 1 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l ye l a b o r a t e db a s e do nt h ee t h e r n c tc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l ys y s t e ma n di t sl o n g - d i s t a n c es u p e r v i s o r ys y s t e md e s i g n a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cm a j o r i t yo fc i t i e sw a t e r s u p p l ys y s t e ms t i l lc o n t i n u e dt o u s ot r a d i t i o n a lt h em a n u a lc o n t r o lw a y s o m ew a t e rs u p p l ys y s t e m s a l t h o u g h i n c r e a s e dt h ec o n s t a n t p r e s s u r ec o n t r o lf u n c t i o n , b u th a sn o tc e r t a i n l yr e a l i z e d r e g a r d i n gt h ee n t i r ew a t e rs u p p l ys y s t e mi n f o m l a t i o nm a n a g e m e n t w h e nt h es y s t e m l l e o d st o c a l t y0 1 1t h ef u n c t i o nt r a n s f o r m a t i o na n dt h ef u n c t i o ne x p a n s i o n , n e e d st o c a r r yo nt h el a r g e - s c a l er e v i s i o nt ot h eo r i g i n a ls y s t e mc o m p l e t e l yt ob ee v e nh e a v y t h em o d e ma g eh i g hg r a d e , t h eh i g hl e v e lw a t e rs u p p l ys y s t e mr e q u e s tc 姐 r e a l i z et h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y , n a m e l yt h es y s t e mc a na c ta c c o r d i n gt ot h e u s e r 谢mt h ew a t e rv o l u m ea u t o m a t i cc o n t r o lw a t e rs u p p l yp r e s s u r e ，s i m u l t a n e o u s l y , b u ta l s oc a nr e a l - t i m er e f l e c t st h es y s t e ma l lm o v e m e n t sc o n d i t i o na n dt h ec o r r e l a t i o n p a r a m e t e ri nt h ec o r r e s p o n d i n gs u p e r v i s o r ys y s t e m s i m u l t a n e o u s l yc a nr e a l i z et ot h e s y s t e ml o n g - d i s t a n c ea c c e s sa n dt h em o n i t o r i n g s u c hs y s t e mn o tm e r e l yi sc a n p r o v i d et h eh i g hg r a d ew a t e rs u p p l ys e r v i c et h ec o n t r o ls y s t e m ，m o r e o v e ro r s y n t h e s i z e dt h es u r v e i l l a n c e ，t h ec o n t r o la n dt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi sab o d y m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，h a sr e p r e s e n t e dt h em o d e mi n d u s t r ya u t o m a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yh i g hn e wl e v e la n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h i sa r t i c l ed e s i g n st h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e mu s e saf r e q u e n c y c h a n g e rt oc o n t r o lt h r e ew a t e rp u m p sc i r c u l a t i o nw o r kt h ew a y , t h ec e n t r a lc o n t r o l u n i ti st h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , t a k ee s t a b l i s h e st h ep r e s s u r ea n dt h ef e e d b a c k p r e s s u r ea st h ec o n t r o lg o a l ，t h er e a l - t i m eg a t h e r i n gw a t e rp i p ep r e s s u r e ，f o r m st h e c l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h ep ir e g u l a t o r , t h r e ew a t e rp u m p se l e c t r i c a l m a c h i n e r yd on o td i v i d ep r i m a r ya n ds e c o n d a r y , w o r k si nt u r n , u n c e a s i n g l yc u t si nt h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dt h el a b o rf r e q u e n c y , t h u sr e a l i z a t i o nc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l yg o a l ，b a l a n c e de a c hw a t e rp u m pe l e c t r i c a lm a c h i n e r yo p e r a t i n gt i m ea n d a t t r i t i o n o nt h ep o s i t i o nm a c h i n ea n dt h es c a l ec o n t r o ld e v i c ew i l lc e r m e tt h r o u g h t h ei n d u s t r ye t h e r n a , i nt h ep o s i t i o nm a c h i n ew i l lc o m p i l et h eg r a p hc o n t r o li n t e r f a c e t h r o u g hw m c cs o f t w a r ei nt h ec o n t r o lc e n t e r , r e a l - t i m es u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o l l o n g - d i s t a n c es c e n ec o n t r o l l e r k e y w o r d s ： i n v a r i a b e n e sw a t e r s u p p l y ；, r e m o t em o n i t o r ；i n d u s t r ye t h e r n e t i v 江苏大学工程硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者妣s v l 音喑 签字日期： 胡年，明q 日 导师繇乞俑务 签字日期：么1 年f 。月，y 日 。 江苏大学工程硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：支。1 日期：j 卵 7 年2 月 j 皤 ，夕 日 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 设计背景 第1 章绪论 1 1 1 设计的技术背景 目前，国内大部分城市供水系统，包括水厂、生活小区、高层建筑的供水系 统，仍采用较为传统的供水方式。值班人员根据实际的用水量或累积的经验，通 过人工的方式调节水泵电机的开停来实现简单的供水控制。当用水量增大，供水 压力变小时，即手动增加一台水泵；当用水量减小，供水压力变大时，则把最先 运行的水泵关停。 这种传统的供水方式存在着许多缺点，特别是多台水泵供水系统尤为严重： 首先，由于水泵电机只能工作在额定运行和停车两种工作状态，无法为用户提供 稳定可靠的供水压力，且系统完全依赖于人工操作来控制，因而供水质量受人为 因素影响较大，无法为用户提供稳定的供水压力，且经常会出现断水、水管爆裂、 管道共振等现象。其次，由于水泵电机只能工作在工频状态，长期高速运行，电 能浪费较大，据统计，在目前传统的供水方式中，电费在水费成本中的比例高达 5 0 以上。再次，由于人为的控制难以始终保证电机在运行过程中投切次序的正 确性，容易导致电机在长期运行过程中磨损不均，并且增大了误操作的可能性， 造成设备使用寿命短，维修量大，设备和人工成本都较高。最后，在目前的城市 生活小区、高层建筑供水系统中，基本采用高位水箱或低位蓄水池的供水方式， 这样既增大了基建投资，同时也造成了水资源的二次污染。 近几年来，随着计算机技术、控制技术、p l c 技术、变频技术在工业控制领 域的飞速发展和人们对生活用水质量要求的不断提高，基于变频调速技术的恒压 供水系统逐渐产生并不断完善，通过先进的工业控制技术手段，传统供水方式的 所有缺点都可以加以避免，甚至可以采用现场总线、工业以太网等目前自动化控 制领域的高新技术实现更高级的远程监控和访问。所有这些现代自动化控制技术 的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。 1 1 2 设计的目的及意义 我单位刚刚落成一幢新办公大楼，该楼由裙楼和主楼组成，部分裙楼3 层， 江苏大学工程硕士学位论文 其余裙楼5 层，主楼1 2 层，高4 0 米。裙楼供教学使用，主楼供办公使用，人员 流动性大，用水量2 4 小时非常不均衡。白天用水高峰时，8 楼以上水压很低， 严重影响了正常的教学和工作。经过申请，准备在室外给水管网入楼处开辟一个 房间作为恒压供水泵房，使整个大楼能够实现恒压供水，同时，由于泵房噪音较 大，采用无人职守方式。整个系统一旦发生问题故障报警，往往不能够及时发现 进行处理，如何才能解决这个矛盾呢? 随着工业以太网的发展，越来越多的现场 设备实现了远程的监控，通过以太网将现场设备的所有情况传送到监控中心，在 监控中心就可以远程监视现场设备的运行情况。同时，可以远程的控制现场设备， 甚至是在现场设备出现了一些故障前兆都可以及时反映到监控中心，尽早发现， 尽快处理，防患于未然。 现代自动化控制技术主要以工业以太网、现场总线、p l c 和交直流驱动技术 为代表。其中现场总线与工业以太网技术更是当今自动化控制领域的高新技术， 是近年来在自动化控制领域发展形成的并代表了最高水平的工业网络技术。啪“1 西门子( s i e m e n s ) 公司作为自动化行业的领导厂商，始终以创新、可靠和高 品质的产品及系统引领自动化及驱动领域的最新潮流，其产品、系统及解决方案 广泛应用于各个工业领域：例如钢铁、机械、冶金、食品、饮料、包装、汽车、 石化等行业。从1 8 7 2 年以来，西门子公司与中国一直保持着良好的合作关系， 近几年在中国推出了以s 7 2 0 0p l c ，s t e p 7 ，w i n c c 为代表的自动化控制产品及 技术，以其优良的产品性能、功能强大的设计开发软件、以及雄厚的技术支持和 良好的售后服务，巩固和发展其在中国领先的市场份额。蚰经过较全面的调研、 论证，最终选择了该课题，并希望达到以下设计目的及意义： 1 改善我单位的供水系统质量，节约资金。 2 将该课题作为一个实验实训场所，为电气专业学生提供直观的学习设备。 3 通过本课题的实施，带动我院产、学、研的开展，促进相关专业教师的 业务水平的提高。 4 对该系统稍加改造，即可推广到其他恒压供水项耳中，为学校创造经济价 值。 1 1 。3 合理性、经济性分析 该系统完全遵循目前控制领域最成熟可靠的三层结构：底层为现场控制器 2 江苏大学工程硕士学位论文 p l c 与变频器共同控制水泵电机进行变频和工频切换，与压力表检测的压力反馈 信号形成一个闭环自动控制系统：中间层为工业以太网上传现场信号和控制中心 对现场的控制信号的实时双向数据传输；顶层为上位机加组态软件对现场进行监 视和控制。 虽然该系统相比传统供水方式需要增加一些投资，但是它潜在的价值是无限 的：提高了供水质量，使用户在用水高峰时段也保证恒压供水，完全解决了以往 用水高峰是水压低或根本无水的情况；节约了人力资源，以往泵站都属于有人职 守状态，根据实际供水情况手动调节水泵电机工作状态，现场噪音大，用水量是 时刻变化的，而值班人员不可能实时调整，造成供水不均，本系统经过扩展后， 可以将多个泵站的数据传到监控中心，一个值班人员在远程就可以监视和控制多 个泵站，大大节约了人力资源，改善了工作环境：该系统可以运用到自来水公司 供水管网中，提高自来水公司的增值服务，由自来水公司设置专人对每个用户的 泵站进行管理，极大的减轻了业主方的负担。 1 2 先进性和成本调研 1 2 1 国内外发展现状 目前，国内大部分城市供水系统仍然沿用传统的人工控制方式。有的供水系 统虽然增加了恒压控制的功能，但对于整个供水系统的信息化管理并没有实现。 在控制系统设计时只能够满足当时系统运行的需要，当系统需要进行功能转换和 功能扩展时，需要对原来的系统进行大规模修改甚至全部重来。当前，对原有供 水系统进行技术改造和用新技术设计实现新的供水系统是水处理工程的一个热 点问题。7 1 嘲 国外先进的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器只带一台水泵电机的 控制方式，供水质量高，同时成本也高。根据我国的国情，完全照搬国外的办法 显然成本太高，但只要控制方法得当，在保证供水质量的前提下，只用一台变频 器同样能带动多台水泵电机运行，这样既保证了技术的先进性，同时又减少了变 频器的使用数量，节约了成本。 现代高质量、高水平的供水系统要求能够实现恒压供水，即系统能够根据用 户的用水量自动调整供水压力，同时，还能将系统所有的运行状况及相关参数在 3 江苏大学工程硕士学位论文 相应的监控系统中实时反映出来。随着p l c 技术、现场总线技术及工业以太网技 术的发展，还能实现对系统的远程访问和监控。这样系统不仅仅是一个能提供高 质量供水服务的控制系统，而且还是综合了监视、控制和信息处理为一体的管理 信息系统，代表了现代工业自动化控制技术的高新水平及发展方向。【口】c 州 追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水系统、供水设备适应城镇建 设中成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 1 2 2 系统成本调研 传统的高位水塔、水箱以及气压供水方式与新型的恒压供水系统相比，不论 在设备的投资、运行的经济性，还是在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方 面，都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。 通过对类似新型恒压供水系统的大量调研，并与传统供水系统进行了较为全 面的比较，在系统综合成本方面，前者同样具有无可比拟的优势，具体表现在： 1 在旧的供水方式中，一般采用起动或停止加压站的水泵和调节出口阀的开 度来实现，控制系统是采用继电一一接触器控制线路，这种系统线路复杂，维护 困难，操作麻烦，工人要2 4 小时值班看守，劳动强度大。运用新的恒压供水技 术，系统操作控制方便，稳定性、可靠性强，数据通讯处理速度快速、完整、准 确，同时具有实时远程监控、访问等突出优点。大大减轻了操作人员的工作强度、 缩短了操作时间，并增强了控制的科学性、直观性与准确性。 2 由于系统控制合理，大大减轻了设备因不合理运行带来的过度机械磨损， 延长了设备的使用寿命，同时降低了噪音污染。新系统具有较为完善的故障判断、 报警功能从而也大大降低了系统维护的设备成本与人工成本。 3 目前水费成本中，电费比例达5 0 以上，运用新的恒压供水技术，节电效 果显著( 据统计一般在2 0 以上) ，这对于目前国内电力资源较为紧张的现状具有 很大的现实意义及经济价值。 4 由于新型恒压供水系统，是通过管网直接给用户加压，因而可以节省建设 水塔和征用土地等费用的一次性投资，同时避免了供水过程中高位水箱、水塔的 二次污染。加之变频调速可实现水泵的软起动，因而对电网没有冲击。 5 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过 程中，若自来水供水因故压力不足或短时缺水时，可能影响产品质量，严重时使 4 江苏大学工程硕士学位论文 产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅 速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以在某些用水区采用高质量的恒 压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 1 2 3 系统功能调研 恒压供水系统采用一台变频器控制多台水泵循环工作的方式，中心控制器为 可编程控制器( p l c ) ，以设定压力和反馈压力为控制目标，实时采集水网参数、 电网参数、电机参数、设备运行状态，达到优化运行、可靠保护、确保供水质量、 并节约电能损耗。 在系统监控方面，主要采用人机界面技术，将系统各种动作、各种数据，以 直观、动态的显示方式，实时的显示在计算机上，使得监控系统的信息处理更加 迅速、直观、准确。同时利用远程通讯技术，还可以实现基于工业以太网、因特 网的远程监控与访问。 以先进的p l c 、变频器、工业以太网技术组成的恒压供水系统，其良好的性 能完全能够实现恒压供水所要求的各种指标，代表了目前供水领域最为理想的高 质量、高水平的控制方式及控制水平，它的大力推广将取得良好的经济效益与社 会效益。n l m ln 町1 5 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 结构简介 第2 章结构与工作原理 如图2 1 所示，整个恒压供水系统的结构主要包括储水罐、水泵电机、 工业以太网三部分组成。 网 图2 1 系统结构图 储水罐主要用于储存来自自来水厂的清水，是系统中唯一的一个储水装置。 水泵房的水泵电机主要用于将储水罐的清水直接加压至用户管网，取代了传 6 江苏大学工程硕士学位论文 统的高位水箱、水塔的供水方式。三台水泵电机由p l c 与变频器控制，并跟随管 网压力动态调节水压，达到恒压供水的目的。 工业以太网作为整个系统控制的最高层，w i n c c 服务器通过网络模块与p l c 相连，借助西门子的w i n c c 软件及其w e b 软件包实现远程监控与访问。 2 2 电气线路结构及分析 如图2 2 所示，为系统的电气线路结构图。 3 c 3 8 0 v 图2 2 系统电气线路图 水泵房的两台水泵电机采用双回路供电，即由电网直接供电或由变频器调节 供电两种方式。系统传动部分采用西门子变频器驱动电机，为节约成本，本系统 仅用一台变频器顺序启动水泵，通过变频器和电网之间的切换，与电网交替控制 水泵。3 号水泵电机为一台小流量电机，夜间系统停止切泵操作，完全由该小流 量泵固定运行，节约了能源消耗。换言之，系统在工作过程中，变频器只对其中 一台电机进行变频控制，其它电机要么处于工频运行，要么就处于停机的状态。 水泵电机的运行动作过程，主要包括以下几部分： 2 2 1 水泵启动 系统正常启动时，按顺序先启动l # 水泵电机，即闭合k m i ，由变频器直接启 7 江苏大学工程硕士学位论文 动，当水泵达到额定运行频率时，延时运行t l 时间，如果还未达到管网水压， 则变频器断开1 0 4 1 切断1 # 泵，随即k m 2 合闸，电网投入，此时1 # 水泵电机即在 工频下运行。系统再闭合k m 3 ，由变频器启动下一台2 # 水泵电机以此类推，直 到压力达到设定值为止。( 同时系统将检测并判断出故障电机和水泵，程序将跳 过故障泵继续运行，并发出报警信号。) 以上为增泵的过程，减泵的过程则相反。 2 2 2 变频器切、电网投 在控制过程中，如需切断变频器，投入电网时，应首先断开变频器与水泵电 机之间的接触器，再合上电网与该水泵电机之问的接触器。在切换过程中为防止 损坏变频器和水泵，接触器之间应进行电气互锁，同时切换时应注意电网和变频 器供电的相序需一致。 2 2 3 电网切、变频器投 在控制过程中，如需切断电网，投入变频器时，则应先断开电网与水泵电机 之间的接触器，再合上变频器与该水泵电机之间的接触器，利用变频器的捕捉再 启动功能，在水泵电机旋转状态下投入变频器。 2 2 4 管网压力的调节 在恒压供水过程中，如果管网压力发生变化，系统将通过调节变频器的频率 来稳定管网压力。例如当管网压力减小且小于设定压力时，系统将增加变频器的 频率，甚至增加投入工频运行的水泵的数量：而当管网压力增加且大于设定压力 时，系统则减小变频器的频率，甚至减少投入工频运行的水泵的数量，从而达到 恒压供水的动态调节。n 耵 2 3 工作原理 如图2 1 所示，系统工作原理主要由以下几部分组成： 2 3 1 储水罐水位控制 1 概述 通过液位传感器实时检测储水罐的水位，从而判断是否打开来自于自来水厂 的进水管电磁阀进行注水，同时判断出水管是否可以抽水。 2 工作原理 8 江苏大学工程硕士学位论文 水位设为3 个档次，分别为高水位、低水位、警戒水位。为减少进水管电磁 阀的使用频率，当水位低于低水位时，打开进水管电磁阀开始一次性不问断注水， 直至水位超过高水位点时，关闭进水管电磁阀停止注水：当水池水位不断下降， 再一次低于低水位时，又进行下一次注水：当水厂提供的进水量下降或甚至于停 水而造成清水池水位低于警戒水位时，应放出警报，同时停止水泵电机的工作， 直至水位高于警戒水位。同时，对各种水位进行显示，以便于实时监控。 2 3 2 水泵房电机的控制 1 概述 水泵房由2 台1 2 5 k w 的水泵电机和1 台小流量水泵电机从储水罐直接抽水， 在用水高峰期最多启用2 台水泵。系统根据压力表从小区用户管网检测的实际用 水情况，动态调节水压，以保证供水压力的稳定。同时，为了保证变频水泵的均 衡使用，延长工作寿命，变频水泵自动作循环运行和循环休眠备用状态。 2 工作原理 各水泵的进、出水管道两端都安装有机械阀，以防止水泵电机损坏时管道关 闭不严，同时在检修时也要用到机械阀。对于现场各数字量的执行元件，由于使 用频率较高，所以应定期进行检修。在现场的控制柜面板上安装有各执行元件的 检修按钮，并有相应的指示灯显示，便于检修的方便。 对于现场模拟量检测元件( 如压力表) ，应用屏蔽电缆进行信号的传输，同时 在控制柜的面板上有相应的表盘显示，实时反映各模拟量的当前值。 在小区用户管网处安装了压力表，压力表主要用于检测用户管网的压力，系 统根据检测的管网压力与设定压力进行比较，动态调节水压。变频水泵根据恒压 的要求进行动态的增减，每次增泵时都是启动当前休息时间最长的那台泵，相反 每次减泵时都是停止当前工作时间最长的那台泵，以达到变频水泵的均衡使用。 三台水泵电机的工作情况及相关的电气参数应实时动态的反映在人机界面 上，以便于直观的实时监控。 在水泵电机的上下两侧各安装一个上下限压力表，该压力表输出一个数字量 信号。系统对压力表的检测值进行判断，在水泵电机上侧，当入水压力大于上限 值或小于下限值时，系统认为处于非正常工作状态，立即自动停车；同样的，在 水泵电机下侧，当压力大于上限值时，说明水泵到达极限状态，管网压力超过最 9 江苏大学工程硕士学位论文 高值，会引起水管爆裂，或压力小于下限值，说明用水量太大，所有水泵都工作 在工频还不能满足要求，那么，必然是用户水管爆裂。此时，系统也需要立即自 动停车。 2 3 3 基于工业以太网的控制 1 概述 系统的工业以太网( e t h e r n e t ) 采用了西门子典型的工业以太网结构，通过专 用交换机及工业以太网卡将系统的服务器与p l c 进行以太网级的通讯连接，从而 实现服务器对整个现场设备级的集中监控。运用西门子的人机界面技术及w e b 发布技术，远程工作站可以通过e t h e r n e t 实现对整个系统的监控。“町n 叭埘n 耵 2 工作原理 系统的服务器应安装标准的s t e p 7 编程软件，实现对整个系统工艺的控制。 系统的服务器还应安装w i n c c 标准软件及其w e b 发布软件，通过w i n c c 软件 对系统进行h m i ( 人机界面) 设计、并能通过动画、曲线、数字、颜色等界面较为 全面、直观的反映系统各执行元件、检测元件的动作情况及相应的电气参数，同 时还提供远程诊断、报警功能。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 3 1 控制原理 第3 章控制原理及理论算法研究 如图3 1 所示，恒压控制在控制理论上来讲是一种恒值控制系统。以大楼 总管网的水压作为被控量( p c ) ，以系统设定的压力作为给定值( p r ) ，以p i 运算 作为基本控制算法，组成一个单闭环控制系统。在控制上实现出口总管网的实际 供水压力始终随设定的供水压力的变化而变化，并动态维持在设定水压上。 p r pff p e 图3 1 恒压控制原理图 从恒压控制的原理图可以看出，系统在运行过程中，如果实际供水压力低于 设定压力，控制系统将得到一个正的压力差( a p = p r - p c o ) ，这个差值经过计算 和转换，计算出变频器输出频率的增加值，将这个增量和变频器当前的输出值相 加，得到变频器当前应该输出的频率，使变频泵转速增大，从而提高管网的实际 供水压力，直至与设定压力相等为止。如果实际供水压力高于设定压力，控制系 统将得到一个负的压力差( p = p r - p c o ) ，p i 调节以及变频器输出频率的情况 则完全相反。 3 2 算法研究 3 2 1p i 算法研究 1 p i 调节的作用分析 在系统的闭环控制中，使用了比例环节p 和积分环节i 。比例环节可以增强 系统的响应速度，而积分环节则能够消除静差。比例积分调节虽然对系统的动态 江苏大学工程硕士学位论文 性能有一定副作用，但它却能使系统的稳态误差大大减小，显著地改善了系统的 稳态性能。而稳态性能是系统在长期运行中起着关键作用的性能指标，往往要求 首先保证的。因此，宁愿牺牲一点动态方面的要求，也要首先保证系统的稳态精 度。所以，只有把比例环节和积分环节结合起来，即采用比例积分( p i ) 的闭环调 节方式p i 。工程实践证明，采用p i 调节后，可以达到较为理想的闭环控制效果。 系统的自动控制是主要是通过p l c 的算法来实现，而西门子的s t e p 7 软件中 提供了功能强大的p i d 程序控制块( f b 4 1 ) ，所以不需要再增加专门的p i 控制器， 而是将p i 控制的算法编写在p l c 程序中，用软件的方法实现p i 控制。 2 水泵电机频率改变和切换条件分析 在实际的变频控制中，变频器输出频率的调节范围是有限的。水泵电机在运 行过程中由于增减泵的调节，需要进行变频与工频之间的切换。例如水泵电机由 变频切换到工频运行时，在此过程中，变频器的输出频率将不断上升，但由于电 网频率和电机额定工作频率的限制，切换时刻只能在5 0 h z 时进行，即5 0 l z 成为 频率调节的上限频率。此时即使管网实际压力仍然低于设定压力，变频器的输出 频率也不能够再增加。所以，既要保证电机频率不超过5 0 h z ，又要保证实际供 水压力的增加，则只能用增加运行电机数量的方式来实现恒压的控制。 由以上分析可得上限频率的切换条件为： ( p c 2 时，应将“起始泵n o 一复位为o ，即进入 下一次的减泵循环。 从总体上来讲，电机运行队列增加与电机运行队列减少的程序运算思路是基 本相似的，采用的都是队列的控制思想，只不过增加了故障检修泵的判断及跳 过的控制算法。 江苏大学工程硕士学位论文 4 1 结构方案设计 第4 章系统方案设计 系统的自动化结构设计主要包括现场设备级、监控中心级两部分。现场设备 级处于系统的最底层，将p l c 及变频器进行连接，同时现场的执行设备、检测设 备又与p l c 相连，组成了整个系统的控制核心。通过各种硬件设备的连接及相应 软件通讯规则的设置，实现了整个现场设备级，通过各种程序控制算法的编写， 实现了整个系统的自动化控制。 监控中心级在层次上要高于现场设备级，它主要以w i n c c 服务器为核心，通 过网络模块与现场设备级的p l c 相连，实时采集现场设备级的各种信息，通过相 应的控制算法对现场数据进行集中的分析与处理，并通过人机界面对系统的生产 状况及相关数据进行实时动态的集中显示，从而实现了对现场设备级的监控。通 过监控中心级的w i n c c 服务器还可实现更高级的远程监控与访问( 如通过 i n t e r n e t 的监控与访问) 。 4 2 软、硬件选型 4 2 1 软件选型 操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sn t 。 s t e p 7m i c r o w i n ：s i m a n t i cp l c 组态和编程的标准软件包，完全符合i e c 标准，具有极高的可视化编程的特点，用于p l c 的硬件组态、软件编程、e t h e r n e t 的通讯设置等。 w i n c cv 5 1 ：s i e m e n s 人机界面( 删i ) 设计软件，用于在生产和过程自动化 环境中实现可视化和过程控制任务。它将工厂控制软件集成到自动化过程中，具 有开放型全图形化人机操作界面，组态方便，操作简单。 w i n c c w e bn a v i g a t o r3c l i e n tl i c e n s e s ( w i n c cw e b 浏览器) ：用于向 i n t r a n e t i n t e r n e t 发布w i n “控制和监控的人机界面( 哪i ) 。剐2 1 1 嘲嘲 4 2 2 硬件选型 1 p l c 及其模块选型 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 p l c 硬件选型的基本思想，主要是考虑适用、经济，能满足系统的要求，同 时又留有一定的系统扩展裕量。本系统的具体硬件选型如下： p l c ：主站p l c 是整个系统的硬件结构核心，由于本系统结构规模不是很大， 性能要求也不是很高，因此可选择s i e m e n ss 7 系列中的$ 7 - 2 0 0p l c 。$ 7 - 2 0 0 系列p l c 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。$ 7 - 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 s 7 2 0 0 系列优点主要表现在以下几个方面：蚓绷 宰极高的可靠性 木极丰富的指令集 木易于掌握 木便捷的操作 木丰富的内置集成功能 木实时特性 事强劲的通讯能力 木丰富的扩展模块 s 7 - 2 0 0 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从 替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与 自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、 民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械， 中央空调，电梯控制，运动系统。 s 7 2 0 0 系列p l c 可提供4 个不同的基本型号的8 种c p u 供用户使用。嘲 c p u 模块：c p u 是p l c 的“大脑 ，主要用于处理各种数字量、模拟量信号， 同时与远程i op l c 、变频器及工作站之间的数据进行通讯。本系统大部分都是 数字量的点，只有一个模拟量输入点，因此不需要额外购买模拟量模块，而p l c 模拟量模块是最昂贵的，无谓的增加了成本，同时，也不需要购买数字量和模拟 量都很多的p l c ，那样也会浪费许多i o 资源，只需要在主站p l c 上安装一个c p u 模块就够了，可选用型号为2 2 4 x pc n 的c p u ，这种c p u 集成1 4 输入1 0 输出共 2 4 个数字量i o 点，2 输入l 输出共三个模拟量i o 点。可连接7 个扩展模块 最大扩展至1 6 8 路数字量i 0 点或3 5 路模拟量i o 点。1 3 k 字节程序和数据存 江苏大学工程硕士学位论文 储空间。6 个独立的3 0 k h z 高速计数器，2 路独立的2 0 k h z 高速脉冲输出，具有 p i d 控制器。1 个r s 4 8 5 通讯编程口，具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自由 方式通讯能力。i o 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 电气交换机模块：用于构建采用交换技术的( 1 0 0 m b i t s ) 工业以太网。 通讯处理器：用s i m a t i c $ 7 - 2 0 0p l c 与工业以太网( 1 0 l o o m b i t s ) 的互连， 即用于总线与工业以太网的连接。 2 传动部分选型 传动部分选用西门子m m 4 3 0 变频器。m m 4 3 0 系列变频器属于高性能的通用变 频器，具有优良的调速性能，同时具有多种通讯方式，其中可用于各种现场总线 接口的选件板集成在其自动化系统中，从而可实现变频器与p l c 的d p 通讯。嘲 3 文本显示器选型 文本显示器是所有s i m a t i c $ 7 - 2 0 0 系列操作员界面问题的最佳解决方法。 选用西门子t d 2 0 0 文本显示器，该产品连接简单，只需用它提供的连接电缆接到 c p u 的p p i 接口上即可，不需要单独的电源。在控制系统中起设定和修正参数的 作用，为现场操作提供了方便。 4 外围设备选型 外围设备主要包括执行设备，如电机、水泵、接触器、按钮、选择开关等。 2 i 江苏大学工程硕士学位论丈 第5 章p l c 设计 5 1s i m a t i cp l c 标准软件简介 5 1 1 s t e p 7 的功能 系统的p l c 控制设计主要包括硬件的组态，i o 地址的分配，程序结构的划 分，程序流程的设计及梯形图的编写。所有工作的实现，主要靠s t e p 7 软件来实 现。s t e p 7 是用于s i m a t i cp l c 组态和编程的标准软件包，它是s i m a t i c - r 业软 件的组成部分。s t e p 7 中集成的s i m a t i c 编程语言和语言表达方式，符合i e c l1 3 1 3 标准。标准软件包运行在操作系统w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 下，并与w i n d o w s 的图形和面向对象的操作原理相匹配。嘲 标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段，如：建立和管理项目；对硬件 和通讯作组态和参数赋位：管理符号；创建程序等，例如为s 7 可编程控制器创 建程序；下载程序到可编程控制器；测试自动化系统；诊断设备故障。 s t e p 7 的编程语言非常丰富，基本语言有l a d ( 梯形图) 、s t l ( 语句表) 、f b d ( 功 能块) ，用户可以选择一种或几种语言混合编程，这些语言都是面向用户的，使 得程序的开发、输入、调试和修改都极为方便。 5 1 2 s t e p 7 的程序模块 s t e p 7 的程序设计可采用线性化、模块化和结构化的编程方式，为此系统提 供了丰富的程序模块，以便用户灵活的选择程序设计方法，组织最适合自己的程 序结构。以下是s t e p 7 所提供的程序模块口玎： 1 o b ( o r g a n i z a t i o nb l o c k s ) o b ，即组织块，是操作系统和用户程序的接口，由系统事件通过中断来驱动。 是操作系统与用户程序之间的接口，它们由操作系统调用并控制循环和中断驱动 程序的执行以及可编程控制器如何启动，它们还可以处理对错误的响应。其中 o b l 是p l c 程序的主循环模块，操作系统通过循环调用o b l 模块来循环执行用户 程序，o b i 通常也