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基于模糊控制的分布式泵站监控系统研究 专业：机械电子工程 硕士生：李卫平 指导教师：原思聪 摘要 泵站在钢铁企业中担负着钢铁冶炼中确保高炉正常运转的重要任务。随着工业 自动化程度的日益提高，对泵站的要求也越来越高。为了提高管理水平及经济效益， 对现有泵站的监控和管理系统进行改造和完善迫在眉睫。 根据泵站监控系统的现状与发展趋势，结合长治钢铁公司六号泵站的实际情况， 本文提出将分布式控制技术引入泵站监控系统，以研华工控机和西门子p l c 组成上 下两级分布式监控系统。系统采用p p i 通信协议，主控室i p c 为系统上级，通过主 从式网络与下级的p l c 通讯，获取生产过程的数据。上位机监控软件采用工控软件 “组态王”，实现工艺流程、报警、历史曲线的显示以及报表和数据库查询等功能。 此外，本文以水压控制为例，提出利用模糊控制策略来改善水压控制效果，并在 m a t l a b 环境下进行仿真分析，结果表明模糊控制的各项控制指标效果都优于p i d 控制。 关键词：分布式控制系统 i p c p l c 泵站监控系统模糊控制 论文类型：应用基础 r e s e a r c h i n g o n d i s t r i b u t i n gm o n i t o rs y s t e m f o rt h e p u m p s t a t i o nb a s e do nf u z z yc o n t r o l s p e c i a l t y ： m e c h a n i c & e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l iw e i p i n g c o n d u c t o r ：p r o f y u a n s i c o n g a b s t r a c t p u m p s t a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e b o t hp r o d u c tq u a l i t y a n ds a f e t yi np r o d u c t i o nd e p e n do nt h en o r m a lr u n n i n go fi t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya u t o m a t i o n ，i ti s a nu r g e n tt a s kt o i m p r o v et h el e v e lo fm a n a g e m e n ta n dt h e m o n i t o ro f p u m ps t a t i o ni no r d e rt oi n c r e a s ee c o n o m yb e n e f i t a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l i t ya n dt e n d e n c yo fm o n i t o rs y s t e mf o rt h ep u m ps t a t i o n ， c o n s i d e r i n g t h e6 ”p u m ps t a t i o ni nc h a n g z h ii r o na n ds t e e lg r o u pc o m p a n y t h i s p a p e r f o c u so n ：a p p l y i n gt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nm o n i t o rs y s t e mf o rt h ep u m p s t a t i o n ，w h i c h i s i m p l e m e n t e db y i p ca n dp l c i p ci s s u p e r i o r o ft h e s y s t e m ， c o m m u n i c a t i n g w i t hs u b o r d i n a t ep l c t h r o u g hp p ip r o t o c 0 1 p cm o n i t o rs o f t w a r ea d o p t s “k i n gv i e w ”i n d u s t r y c o n t r o ls o f t w a r e ，w h i c hi s d e s i g n e d t or e a l i z e d i s p l a y i n g t e c h n o l o g i cf l o w , a l a r m i n g ，h i s t o r i c a lc u r v e ，r e p o r tf o r m sa n dd a t a b a s e i na d d i t i o n ，t h e p a p e rc h o o s e sw a t e rp r e s s u r ea se x a m p l ea n ds t u d i e sh o w t ou s ef u z z yl o g i co nw a t e r p r e s s u r ec o n t r o l ，s i m u l a t i n g t h e h y p o t h e s i s i nm a t l a be n v i r o n m e n t t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tf u z z yc o n t r o l ge f f e c te x c e l sp i dc o n t r o l s k e y w o r d s ： t h e s i st y p e ： d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，i p c ，p l c ，s u p e r v i s o r yc o n t r o l ， p u m ps t a t i o n ，f u z z yc o n t r o l a p p l i c a t i o n f o u n d a t i o n i l 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：鸯卫奉 1 日期：护啦弓扩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名苍盈率导师签名日期： 2 叫。g 1 绪论 1 1 泵站监控系统的研究现状及研究意义 水泵站在钢铁企业中担负着钢铁冶炼中确保高炉正常运转的重要任务。目前国 内大部分的泵站控制和管理机制与国外相比还是处于相当落后的状况。美日欧国家 在工业自动化方面直走在世界的前列，早在六七十年代就已采用先进的无入化泵 站监控方式。国内泵站自动化监控程度低，大部分泵站的管理记录和统计都是手 工操作，泵站控制和管理没有形成区域化的网络c 2 j 。 在泵站计算机监控建设或者改造中，由于没有泵站计算机监控系统设计的国家 规范可以遵守，建设单位、设计单位、工程管理单位对泵站计算机监控系统应该具 有的功能、技术指标以及当前计算机控制技术的现状和发展趋势等方面内容的理解 各有不同，因而各泵站的计算机系统结构形式、系统功能、性能指标等方面差别很 大。主要表现在如下几个问题 j ： ( 1 ) 标准不一。缺乏统一的功能和技术指标，难于进行系统扩展和功能重组。 ( 2 ) 采用的技术和设备层次多，差距大。不能充分利用代表当前技术发展水平和 发展趋势的成熟技术，不能保证其先进性，甚至有的系统不能安全可靠的运行。 ( 3 ) 缺乏系统概念。设计、旌工、验收相分离，不能实现和其它系统的互联，通 信接口不标准或者遵循的标准不统一等等。 从二十世纪七十年代开始，国内泵站监控系统体系结构经历了以工业控制计算 机为基础的集中式数据采集系统和监控系统、以集散型控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m 即d c s ) 或者p l c 为基础的分布式泵站计算机监控系统和能够实现测量、控 制、管理一体化的综合自动化系统。其功能由单一的监测功能发展到能够实现测量、 控制、管理一体化的综合系统；其应用方式从科研项目研究到走向采用市场上成熟 的计算机测控领域主流产品的工程化应用阶段；系统构建方法从作为研究课题到利 用各种硬件和软件模块组态，用户根据泵站具体的要求和特点构建自己的系统【1 】。 随着国民经济的飞速发展，对钢铁冶炼提出了更高的要求。必须对现有泵站监 控和管理进行改造和完善，向先进的泵站监控管理方向发展，以达到减员增效、提 高管理水平及经济效益的目的。 本系统以长治钢铁公司六号泵站为实施对象，进行整个泵站的自动化监控和管 理的改造。泵站监测控制系统的研制开发，减轻了的工人的工作量及危险性，提高 了监测内容的精确性和可靠性，有利于提高工作效率、工作质量及管理水平，降低 了泵站的运行成本，提高了平均输水效率，保证了高炉及各种用水，从而可以带来 潜在的社会和经济效益。因此，泵站监控系统的研究无论对于长治钢铁公司泵站本 身还是对于计算机监控系统的进步与发展都有着重要的意义。 1 2 泵站监控系统的体系结构及现存的问题m 嘲 泵站监控系统的体系结构主要分成两种：集中式和分布式。 ( 1 ) 集中式泵站计算机监控系统 信号 调理 单元 图1 1以工业控制计算机为基础的测控系统结构框图 集中式早期的应用形式，主要用在泵站的数据采集和监督上。它是用以s t d 总 线或者p c 总线为基础的工业控制计算机来进行泵站数据采集和监督报警。图1 1 为 以工业控制计算机为基础的泵站测控系统结构框图。它是在工业控制计算机内插入 若干块i 0 卡件f 如：a i 卡一a d 数据采集卡，d i 卡一开关量输入卡、d o 卡一开 关量输出卡等) ，在机箱外通过信号条理单元将来自泵站现场的测温热电阻、压力传 感器等物理信号转换成电压或者电流信号，然后送入a i 数据采集卡，由计算机完 成数据采集工作，其他信号如电压、电流、功率、转速、各种开关状态的输入也通 过同样的方法实现。需要控制时，由计算机通过d o 卡件输出控制信号，通过功率 2 驱动电路驱动后送到被控对象。 从图1 1 中可以看出，由于工业控制计算机和信号调理单元都集中在控制室内， 而且所有工作主要集中在一台计算机中，所以集中式系统存在以下缺点： 大量信号电缆要从现场引进控制室，且这些电缆中传送的大多数是鬏电量的 物理僚笋或者微弱的电信号，故抗干扰能力差、误差大、电缆成本高、安装维护不 方便。傀 由于数据采集、控制、图形画面显示等所有工作都由一台计算机完成，c p u 主板负荷重，可靠性要求高，一旦c p u 主板出现错误，整个系统瘫痪。由于采用总 线式总线接口出现故障，则整个系统不能正常工作。 工程化水平低，大多数系统由研制单位作为研究成果提供，不能保证质量， 系统无开放性，系统可扩展性和可维护性差。 ( 2 ) 分布式泵站计算机监控系统 集中式监控系统存在的问题，使得它的应用受到了很大的局限性，随着微电子 技术、通信技术的发展，在工业控制领域推出了集散控制系统( d c s ) ，集散控制系 统就是集中显示操作、分散采集控制。它将整个系统的目标和任务按一定方式分配 给若干个子系统，各个子系统都由各自的计算机来控制或管理，而子系统之间可以 有信息交换。 1 ) 传统的d c s 及应用 图1 2 是以传统集散控制系统为基础的泵站分布式监控系统结构框图，系统分 成三级结构。 泵站分布式监控系统是在泵站分布着若干台功能独立的采集控制站，分别负责 泵站各种数据采集，或者对变电所、主机、泵站辅机等进行现场控制。这些采集控 制站利用屏蔽、总线式双绞线互连起来，可以相互或者与上一级网络进行数字通信， 从而可以协调工作。第二级监督控制级设置在泵站控制室内，完成现场监测、控制 功能的管理。可以设置采集控制操作站、系统管理操作站，各操作站功能独立又能 互为备用。它对第一级现场采集的所有数据进行处理、分析、存储、报表；完成所 有控制指令的收集和发布；以各种方式( 如流程图、趋势图、模拟图等) 表达整个 泵站的运行状态和数据，进行机组等设备的启动准备工作；收集和分析机组启动数 据。对系统的功能组态、流程图的制作、控制模型修改等工作也是在这一级的操作 站上完成的。第三级泵站管理级是泵站管理单位的计算机网络。它接受监督控制级 送来的各种实时数据或者历史数据，以便各部门的管理人员都可以随时观察泵站的 运行状态，可以对泵站管理单位所有的事务进行管理，还能上一级管理部门发送各 种数据或接受上一级管理部门的命令和指示。 与集中式监控系统相比，集散系统有以下优点；采集控制站就地安装在泵站 现场，测点到采集控制站之间的距离很短，采集控制站到控制室采用数字通信，故 抗干扰能力强、误差小、电缆成本低、安装维护方便。各采集控制站功能独立， 即使某一采集控制站失效，只影响局部功能，故障范围不会扩大。另外，在控制室 的监控操作站退出运行时，各采集控制站仍然能够继续工作。系统采用模块结构。 根据用户的要求，系统规模可以灵活组态，系统操作画面、操作方式由用户自己定 义。成熟的软件、硬件技术。商品化的硬件和组态监控软件的质量有着可循的标 准和开放性，服务质量有保证。系统可靠性高。通信网络的冗余技术、采集控制 站中的主控制卡的冗余技术、i o 卡件的冗余技术等使得系统具有很高的可靠性和容 错能力。 管 理 级 监 控 级 现 场 过 程 控 制 级 管理工作站 管理工作站 管理网络 h 监控操作站监控操作站制 fl冗余实时现场通讯网络ll 2 llll 1 号控制采集站 冗余c p u 卡 n 号控谁采集站 舢晰姗0 0 泵 站 现 i 0 卡 场 呱叩卟 ，展i o 机笼 咖咖 二：疆王= t 。t 。h - 2 0 删。下丁1 ：土姑； ： llii ill if-lf 。 功率 信号驱动 调理及 单元隔离 热电阻、压力 传感器、水位、 转速等信号 萋| 萋；耋耋蓊瞢霎、 图1 2以集散控制系统( d c s ) 为基础的泵站分布式测控系统结构框图 2 ) 以p l c 为基础的d c s 及其应用 d c s 是从过程控制工业发展起来的大系统概念产品，随着技术的发展，它已经 4 成为一种普遍使用的系统模式。除传统的d c s 产品外出现了以p l c 为采集控制站 的集散控制系统和以工业控制计算机( i p c ) 作为采集控制站的集散控制系统。 可编程控制器( p l c ) 具有结构紧凑、模块化、编程方便、使用灵活和耐恶劣 环境等优点，广泛用于离散控制场合。近年来，p l c 技术迅速发展，不断增加p l c 模拟控制和监视管理功能，采用d c s 系统的分级分散体系结构，将应用范围扩展到 连续过程控制和批量过程控制。从而形成了以p l c 为基础的分散型控制系统。在 p l c 为基础的d c s 中，控制站由各类p l c 控制器组成。通常控制站包括一个主机 箱和几个i o 机箱。为了增加模拟量控制功能，一般在主机箱内增加一块特殊功能 的c p u 板，用于完成p i d 控制算法。 热电阻、压力 传感器、水位、 转速等信号 妻垂篓蠢菇膏霎、 图1 3以p l c 为基础的泵站分布式测拉系统结构框图 监控级为具有监视和操作功能的显示操作站( o p s ) ，通常选用工业p c 机。监 控级通信采用专用的工业局域网( i l a n ) 。 p l c 为基础的d c s 系统适用于批量控制过程和开关量点数较多的连续控制过 程，其性能价格比优于传统的d c s 系统。但是p l c 控制器的模拟控制功能块没有 仪表型d c s 丰富，这就对系统的软件编制人员提出了较高的要求。 图1 3 是以p l c 为基础的泵站分布式测控系统结构框图。由于p l c 本身的局限 性，可以将一些测量水位、水压、电量的智能仪表通过r s 一4 8 5 总线连接起来后，连 接到控制室内的监控操作站上去，再利用商品化的监控软件提供的编程能力，将这 些数据传送到泵站监控系统中去。 1 3 课题的背景及主要研究内容 本文就目前国内泵站监控系统的落后状况，以长治钢铁公司六号泵站为例，提 出一种采用计算机监测控制的系统。长治钢铁公司的六号泵站，主要情况如图1 4 所示，有两个水池、一个泵房，进水有水库来水和高炉生产循环水两个渠道，泵房 有九台轴流泵，其中三台在清水池，六台在循环水池，日常监测水温、水压和水流 仍靠人工和机械仪表来测量，并手工绘制工作状态图及故障单，利用按钮等控制手 段启动、关闭电机。 图1 4 长治钢铁公司六号泵站工作示意图 本系统根据泵站具体的要求和特点构建而成，采用市场上成熟的计算机测控领 域主流产品进行各种硬件和软件模块组态，从而可以及时掌握设备的运行参数及运 行状态，了解整个工程所发生的一切并能快速做出反映，从而实现监测、管理体 6 化，提高工作质量与效率。 课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 分布式监控系统的总体设计【3 0 1 3 9 】 系统需要采集监控的参数有：电机有功及无功功率、电机电压、电机电流、清 水及循环水的水温和水位、清水及循环水管道的水压和流量、水泵的开停。为了保 证系统的可靠性和满足工业现场的实际要求，将分布式控铆技术引入泵站自动化监 控系统。采用研华工控机( i p c 6 1 0 l ) 和西门子( p l cs 7 2 0 0 ) 组成上下两级分布式监 控系统。 ( 2 ) 以p l c 为核心的硬件设计【4 2 1 系统选用s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c ，选用两个c p u 2 2 4 ，配置9 个e m 2 3 1 模拟量输入模块和两条p c p p i 通讯电缆。本系统选择p p i 串口通信方式。p c 与p l c 之间的通信采用主从方式，p c 始终处于主导地位。 ( 3 ) 上位机的监控软件设计【3 8 1 由于系统监控点数多，画面复杂，自行设计监控软件周期较长、难度较大，所 以上位机监控软件采用国内先进的组态软件一一组态王k i n gv i e w 进行编写。软件 设计要实现以下功能：工艺流程的动画显示，显示、查询及设置报警，报表生成及 打印，实时曲线监测和历史曲线查询，数据库查询与管理等。 ( 4 ) 模糊控制技术的应用研究 现有泵站控制系统部分所采用的思想和方法较为简单，相应的控制质量和精度 较差。为提高监控水平，以水压控制为例，研究将模糊控制应用于泵站监控系统中， 并比较常规控制与智能控制的控制效果。 ( 5 ) 数据采集与变送器选型 4 0 1 1 4 1 1 监控技术是依靠传感器、变送器等设备来检测信息的，根据系统采用分布式数 据采集装置，来自生产现场的生产过程参数经过变送器测量变送后变为4 2 0 m a 的 标准仪表信号，经电缆传送至仪表室的各台p l c ，经模数转换后变为数字信号。本 系统采用北京万群公司和西安天立公司生产的温度变送器 r w b a t a t a l 2 d 1 2 m 2 p c ，液位变送器s b p 2 8 8 1 2 c 1 n ，压力变送器s b p s 0 0 g 8 c 1 n d ， 电压变送器a m t - a c 3 0 0 1 4 ，电流变送器a m t - a c l 5 1 4 ，插入式涡街流量变送器 l u g b 3 2 0 3 5 6 0 1 0 0 b n o m ，有功无功功率变送器g a p q j - 0 6 2 ，以上变送器均输出 4 2 0 m a 电流。 2 基于分布式控制技术的泵站监控系统结构 2 1 分布式控制系统概述咖叭1 州” 分布式计算机控制系统，又称分散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 即 d c s ) 。分布式控制系统综合了计算机( c o m p u t e r ) 技术、控制( c o n t r 0 1 ) 技术、通 信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、c r t 显示技术即4 c 技术，集中了连续控制、批量控制、 逻辑顺序控制、数据采集等功能。先进的分布式控制系统将以计算机集成制造系统 ( c i m s ) 为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新 的技术，为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化的综合 集成系统。 分布式控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则。 系统具有安全可靠性、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力，是较理想的工 业过程的计算机控制方法。 自从美国的h o n e yw e l l 公司于1 9 7 5 年成功的推出了世界上第一套分布式控制 系统以来，经历了2 0 多年的实践，d c s 已经走向成熟并获得广泛应用。 ( 1 ) d c s 的体系结构 d c s 的体系结构通常为三级。第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监 控级；第三级为综合信息管理级。各级之间由通信网络连接，级内各装置之间由本 级的通信网络进行通信联系。其典型的d c s 体系结构如图2 1 所示。 管理网阃 盲息管理级计算机 连接器 j局域网络( u n ) l 屎作监控级l 黜l 凝fl 龋f i 嚣f i通信联络jjj liil 遘程控制圾i 控制站1 i l i 熟l i i 瓣调节套l i 测磊l l l llllll 分布过程控制级 图2 id c s 的体系结构 如图2 1 所示，该级是直接面向生产过程的，是d c s 的基础，它直接完成生产 过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能。其过程输入信息是面向传感器的信 号，如热电偶、热电阻、变送器( 温度、压力、液位) 及开关量等信号，其输出是驱 动执行机构。 集中操作监控级 这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。该级是面向操作员和控制 系统工程师的，因而配有技术手段齐备、功能较强的计算机系统及各类外部装置， 特别是c r t 显示器和键盘，以及需要较大存储容量的硬盘或软盘支持。另外还需要 功能强的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过 程进行实行高级控制、故障诊断、质量评估。 综合信息管理级 该级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整 个企业的综合信息管理。综合信息管理级主要包括生产管理和经营管理。 通信网络系统 d c s 各级之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持。根据各级的不同要求， 通信网络也分为低速、中速、高速通信网络。低速网络面向分布过程控制级；中速 网络面向集中操作监控级；高速网络面向综合信息管理级。 ( 2 ) d c s 的特点 对一个规模庞大、结构复杂、功能全面的现代化生产过程控制系统，首先按系 统结构进行垂直方向分解成分布过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级， 各级相互独立又相互联系，然后对每一级按功能进行水平方向分成若干个子块。与 一般的计算机控制系统相比，d c s 具有以下特点： 硬件积木化 d c s 采用积木化硬件组装式结构。由于硬件采用这种积木化组装结构，使得系 统配置灵活，可以方便的构成多级控制系统。如果要扩大或缩小系统的规模，只需 按要求在系统中增加或拆除部分单元，而系统不受任何影响。这样的组合方式，有 利于企业分批投资，逐步形成一个在功能和结构上从简单到复杂、从低级到高级的 现代化管理系统。 软件模块化 d c s 为用户提供了丰富的功能软件，用户只需按要求选用即可，大大减少了用 户的开发工作量。功能软件主要包括控制软件包、操作显示软件包和报表打印软件 包等，并提供至少一种过程控制语言，供用户开发高级的应用软件。 控制系统组态 望鱼垒型垫垒墅圭墼鲨塞一 d c s 设计了使用方便的面向问题的语言p o l ( p r o b l e mo r i e n t e dl a n g u a g e ) ，为用 户提供了数十种常用的运算和控制模块，控制系统只需按照系统的控制方案，从中 任意选择模块，并以填表的方式来定义这些软功能模块，进行控制系统的组态。 通信网络的应用 通讯网络式分布式控制系统的神经中枢，它将物理上分散配置的多台计算机有 机的连接起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。通过高速数据线，将现场 控制站、局部操作站、监控计算机、中央操作站、管理计算机连接起来，构成多级 控制系统。 可靠性高 d c s 的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、白诊断功能、抗干扰措施和高性 能的元件。 2 2 泵站的监测系统的功能要求 泵站的监控系统是在泵站管理所内的监控中心的控制台实现对各泵站设备的监 测、控制功能，实现监视泵站状态和运行参数、接收故障报警信息、通过智能终端 设备下达控制信号，并具有分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功 能等。 ( 1 ) 状态采集功能： 能动态采集下列信号： 电机有功功率； 电机无功功率； 电机电压： 电机电流； 清水及循环水水温； 清水及循环水水位； 清水及循环水水压； 水流量 水泵的开停。 ( 2 ) 状态数据的处理与分析 能对采集数据进行存储； 能对监控参数进行趋势分析； 能对监控参数进行趋势预报： 1 0 能对监控参数的异常状态进行关联分析。 ( 3 ) 报警功能 对监控参数能实施报警功能，能进行记录( 包括发生时间、监测参数数据、相 关参数数据等) ，自动生成异常状态数据库。 ( 4 ) 集中显示功能 主要设备的运行状态显示； 工艺流程的动态显示： 主要参数的历史曲线及趋势显示； 相关参数的历史曲线及趋势显示； 历史数据及特种记录显示。 ( 5 ) 存储功能 各种监控参数的动态存储； 各种监控参数的异常动态存储； 控制行为的动态存储。 ( 6 ) 查询功能 各种监控参数的历史数据； 各种监控参数的曲线及趋势； 异常状态查询： 控制行为查询。 ( 7 ) 报表及打印功能 各种监控参数的报表自动生成； 各种监控参数的指定区段数据打印； 各种监控参数的报表打印； 异常状态及控制行为的报表打印。 2 3 分布式泵站监控系统的总体方案设计 随着工业自动化程度的目益提高，可编程控制器( p l c ) 的使用越来越普遍。p l c 以其高可靠性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，广泛应用于生产工艺 过程。在目前的很多自控系统中，常常选用p l c 作为现场级的控制设备，用于数据 采集、状态判别和输出控制；而在系统上位机( 通常为工控机) 上利用工控组态软件 来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理等功能。这种分布式监控 系统充分利用了微型机和p l c 各自的特点，实现了优势互补，得到了广泛的应用 4 5 1 1 6 1 。在长治钢铁公司六号泵站监控系统的设计中，即采用了分布式控制系统一 p c + p l c 的方式。 泵站内分布两个水池一一循环水池和清水池，分别由循环水泵和清水泵将水抽 入管道，送往高炉的不同部位。系统需要采集监控的参数有：电机有功及无功功率、 电机电压、电机电流、清水及循环水的水温和水位、清水及循环水管道豹水压和流 量、水泵的开停。为了保证系统的可靠性和满足工业现场的实际要求，本系统采用 研华工控机( i p c 6 1 0 l ) 年f j 西门子( p l cs 7 2 0 0 ) 组成上下两级计算机监控系统。系统 总体设计如图2 _ 2 。 主控室i p c 为系统上级。其主要作用是与下层的p l c 通讯，获取生产过程的数 据，显示工艺流程，报警画面，报表生成及打印，历史曲线图，数据库查询等。 显示器 主控室i p c r 1 打e 陬 审龟 l 功率、电流，电压、液位、压力及流量变送器 图2 2 系统总体设计 两台p l c 为系统下级，p l c l 用于循环水管路的参数检测，p l c 2 用于清水管路 的参数检测。来自生产现场的生产过程参数经过变送器测量变送后变为4 2 0 m a 的 标准仪表信号，经电缆传送至仪表室的各台p l c ，经模数转换后变为数字信号。同 时，p l c 通过主从式网络与i p c 控制站通讯，传送生产过程参数。界面一致性好， 使用方便。接口采用p c p p i 串口通信方式，以实现可编程控制器与远程i 0 连接。 系统具有良好的可靠性、兼容性及扩展性。 1 2 3 泵站监控系统的硬件设计 3 1 泵站监控系统的硬件选型 ( 1 ) 可缟程控韦6 器的选取3 。m 1 1 3 2 1 可编程控制器( p l c ) 是一种在继电器基础上发展起来的数字运算操作的电子 系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存 储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令；并 通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其 有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设 计。 可编程控制器主要特点如下： 可靠性高，抗干扰能力强 p l c 是专为工业控制而设计的，在硬件方面采用了电磁屏蔽、光电隔离、模拟 量和数字量滤波、优化电源电路等措旌，并对元件进行严格的筛选；在软件方面则 采取了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措旎，利用后备电源对程序和动态数据进 行保护。 编程方便，易于使用 p l c 使用简单，一般情况下，不考虑接口问题，只用螺丝刀就可以完成全部接 线工作。p l c 采用的面向控制过程的梯形图语言与继电器原理图非常接近，易学易 用。 功能完善，应用灵活 p l c 的基本功能包括数字和模拟量输入输出、算术和逻辑运算、定时、计数、 移位、比较、代码转换等，其扩展功能有批数据传送、排序查表、中断控制、函数 运算、通信联网、p i d 闭环控制、监控报警等，可以组成功能完善的控制系统。 p l c 标准的积木式硬件结构和模块化的程序设计可以适应大小不同、功能复杂 的控制要求，扩展及与外部联接极为方便，并能适应产品规格获工艺要求的变动。 环境要求低，适应性强 由于p l c 的抗干扰能力强，可使用于恶劣的工业环境。 目前应用中常见的可编程控制器有三菱电机p l c 系列、西门子s 7 系列、o m r o n 系列、m o d i c o n 系列、g e 系列等。其中，三菱电机m e l s e c 系列p l c 为当今世 界最先进的超小型、超快速的模块式p l c ，并具有各类功能齐全的高性能模块，及 快速可靠的系统网络；o m r o n 系列以其较好的性能价格比而有广泛的应用，在我 国市场上占有较大的份额；m o d i c o np l c 是莫迪康自控公司所生产的高档可编程 控制系统的核心装置，是具有数字量处理能力的专用计算机系统；g e 9 0 一3 0 系列 p l c 成本低、性能高，能方便的取代从简单的继电器到复杂的中型自动化应用系统 场合。本系统选用s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c ，它是一种价格适中、性价比较高的 小型机，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和强大的通讯 能力，可以满足工厂自动化的多级要求。 s 7 2 0 0 有四种基本的c p u 型号，根据系统要求选择c p u 2 2 4 ，c p u 2 2 4 本身具 有2 4 个数字量i o 点，可连接7 个扩展模块，有一个r s 4 8 5 通信编程口，具有p p i 、 m p i 等通讯协议，选择两个c p u 完全满足系统要求且经济合算。另外，再配置9 个 e m 2 3 1 模拟量输入模块和两条p c p p l 通讯电缆。 ( 2 ) 变送器的选取”“1 监控技术是依靠传感器、变送器等设备来检测信息的，根据系统采用分布式数 据采集装置，来自生产现场的生产过程参数经过变送器测量变送后变为4 2 0 m a 的 标准仪表信号，经电缆传送至仪表室的各台p l c ，经模数转换后变为数字信号。本 系统采用北京万群公司和西安天立公司生产的温度变送器 r w b a t a t a l 2 d 1 2 m 2 p c ，液位变送器s b p 2 8 8 1 2 c 1 n ，压力变送器s b p 8 0 0 g 8 c 1 n d ， 电压变送器a m t - a c 3 0 0 1 4 ，电流变送器a m t - a c l 5 1 4 ，插入式涡街流量变送器 l u g b 3 2 0 3 5 ，6 0 ，1 0 0 b n o m ，有功无功功率变送g a p q j 0 6 2 ，以上变送器均输出 4 2 0 m a 电流。 3 2 泵站监控系统的通讯方式m m 3 1 s 7 2 0 0c p u 支持多样的通讯协议：点到点( p o i m t o - p o i n t ) 接口( p p i ) 、多点接口 ( m u l t i p o i n t ) ( m p i ) 、p r o f i b u s 、自由口方式。这些都基于开放系统内连接( o s i ) 7 层通讯结构模型，都是异步、基于字符的协议。 其中，m p i 协议不能与一个作为主站的s 7 - - 2 0 0 c p u 通讯，s 7 - - 2 0 0 c p u 在m p i 网络中彼此间不能通信。p r o f i b u s 协议通常用于实现与分布式i o ( 远程i o ) 的高速 通讯。自由口通信是通过用户程序可以控带i j s 7 - - 2 0 0 c p u 通信的操作模式，可以实现 用户定义的通信协议去连接多种智能设备。p p i 是西门子专为s 7 2 0 0 系列p l c 开发的 一种通讯协议。利用p p i 通信协议进行通信非常简单方便，只用n e t r 和n e t w 两条 语句即可进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。本系统的主控室就 在泵房的上边，无需进行远程i o 的高速通讯，也无需连接除变送器以外的智能设备。 1 4 因此选择p p i 协议，简单且能满足通讯要求。 p p i 是一个主从协议。在这个协议中，主站向从站发送申请，从站进行相应。 从站不初始化信息，当主站发出申请或查询时，从站才相应。一般情况下，网络上 的所有s 7 2 0 0 c p u 都为从站。如果在用户程序中允许选用p p i 主站模式，一些s 7 2 0 0 c p u 在运行模式下可以作为主站。旦选用主站模式，就可以利用网络读( n e t r ) 和网络写( n e t w ) 指令读写其他c p u 。当s 7 2 0 0 c p u 做p p i 主站时，它还可以作 为从站响应来自其他主站的申请。 s 7 2 0 0 系列c p u 上集成的编程口同时就是p p i 通讯联网接口，其物理特性为 r s 4 8 5 。西门子公司提供的p c p p i 电缆带有r s 2 3 2 r s 4 8 5 电平转换器，因此在不增加 任何硬件的情况下，可以很方便地将p l c 和p c 机( 插m p i 卡) 互联。系统通讯构成如图 3 】。 d 号站 图3 1 系统通讯构成图 $ ? - 2 0 0 c p u 2 2 4 2 号站 s 7 一咖 c p u 2 2 4 3 号站 p c 与p l c 之间的通信采用主从方式，p c 始终处于主导地位。根据现场应用设 置p l c 和p c p p i 电缆的通信参数：波特率、奇偶校验位、停止位和字符长度，这 些设定必须与p c 机设定相一致，而在p l c 中无需编写通讯程序。 硬件设置值为，波特率：9 6 0 0 ，数据位：8 位，停止位：1 位，校验位：偶校验。 以上各项通讯参数通过p c l 编程软件正确设定后，在组态王中定义设备后，双击所 使用串口，设置和p l c 同样的通讯参数( 硬件和组态王通讯参数必须一致) 。 4 泵站监控系统的软件设计 4 1 系统监控软件的选择 目前的微机监控系统中，制作上位机的监控程序方法有多种，如v b 、v c 等可 视化编程工具制作控制界面，调用m s c o m m 控件或利用w i n d o w s a p i 函数进行上下 位机串口通讯；或直接利用工业组态软件来制作上位机程序。由于本系统涉及变量 较多，功能要求齐全，所以选用工业组态软件来开发。 当前流行的组态软件较多，如i n t o u c h 、f i x 、组态王、l a b v i e w 等，其中组 态王6 0 2 性价比高，网络通讯功能比较完善，能满足本系统要求，故采用之。 “组态王”是在流行的p c 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包， 它以w i n d o w s 9 8 w i n d o w s2 0 0 0 w i n d o w s n t 4 0 中文操作系统作为其操作平台，充 分利用了w i n d o w s 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。使用p c 机开 发组态王的系统工程比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，从而大 大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用p c 机丰富的软件资源进行二次 开发。 ( 1 ) 组态王的主要功能“】： 基本人机界面功能 组态王作为一种应用软件，有很好的人机界面，为用户提供了丰富的快速应用 设计的工具和便利的集成开发环境。 强大通讯功能 图4l 组态王与下位机通讯原理 1 6 如图4 1 所示，“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，目前能连 接p l c 、智能仪表、板卡、模块、变频器等几百种外部设备，为实现和外部设备的 通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王与外部设备的通讯接口。在运行期 间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令。 组态王的大部分驱动程序采用组件( c o m ) 技术，这种方式使驱动和组态王构 成一个完整的系统，即保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。 组态王与i o 设备之间的数据交换采用以下五种方式：串行通讯方式、d d e 方 式、板卡方式、网络节点方式、入机接口卡方式。 高效的数据采集 组态王对通讯程序做了多种优化处理，尽量使通讯瓶颈对系统的影响最小，同 时保证数据传递的及时和准确。 故障诊断与恢复 在工业现场中，由于通讯故障而引起的损失可能是非常巨大的，为了将这种损 失降为最小，组态王精心优化了通讯故障的诊断机制，可以在极短的时间( 1 2 个 采集周期) 内报告故障的发生，并诊断出出现故障的下位机，非常有助于现场工程 师及时排除险情。 先进的报警和事件管理 完善的“监控和数据采集系统”应当能检测到非正常状态的发生，并将报警信 息按照正确的顺序登录到数据库，并且不能丢失任何数据，以便事后对它进行分析。 组态王是通过报警和事件这两种情形通知操作人员过程的活动情况。组态王的事件 驱动的报警方式和紧凑高效的结构使得报警信息可以被完整的记录，即使突然发生 大量的报警也不会遗漏。 报警是过程状态出现问题时发生的警告，同时要求操作人员做出响应。组态王 报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点，提供多种报警管理功能，包括： 基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等 功能，以及通过网络的过程报警管理。 广泛的数据获取和处理 一般的，由工业现场设备构成的控制网络负责完成自动控制的功能，以保证工 厂的运行，但它难于让工厂操作和管理人员看到生产过程的实际运行状况。组态王 能够从不同的数据源读取数据，并直观、形象的显示出来，供操作和管理人员操作 和分析。在组态王的开放结构中，系统可以与广泛的数据源交换数据，如i o 驱动 程序、o d b c 数据库、o p c 服务器、动态数据交换( d d e ) 、a c t i v e x 控件等，同时 可以将数据以趋势、报表等形式显示出来。 堡垒堑墼垒墼些童垡塑釜一 强大的网络和冗余功能 组态王基于网络的概念，可运行在基于t c w i p 网络协议的网上，使用户能够实 现上、下位机以及更高层次的厂级连网，另外，随着网络的无限延伸，组态王每一 台数据采集站从工业现场采集的数据都可以被网络上的所有其它站点直接访问，使 数据在任何时间、任何地点畅通无阻。同时支持分布式网络报警、分布式历史数据 库等，功能强大，稳定可靠。 组态王的网络是种基于分布式处理的柔性结构。在一个分布的系统上，可以 将整个应用程序分配给多个服务器，可以提高项目的整体容量并改善系统的性能。 在单主机、单网络或单设备系统中，机器或设备出现检修或故障时，整个系统 都将停止运行，给生产造成损失。组态王充分考虑到现场的各种需要，提供多重冗 余手段，用户可自由选择多重冗余方式来构造自己的可靠系统。 组态王组态和编程 组态王可读取p l c 监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息，根据这些 实时数据，在屏幕上动态显示各个储运流程情况、各个控制设备的运行情况等。一 旦发现故障报警信息，系统立刻显示报警画面，向p l c 发出相应动作指令，保存并 记忆故障发生的时间、方位和原因等原始数据，还可根据客户需求保存历史数据， 定时、实时打印数据。 组态王软件可将过程或生产中发生的事件清楚的记录、显示出来，完成参数设 定、操作控制和动态画面监视的功能。它显示当前状态并按顺序记录，所记录的数 据可以全部或有选择的简要显示，亦可编辑、