基于以太网的水情监控系统设计.doc

四川师范大学成都学院本科毕业设计基于以太网的水情监控系统设计前言 我国是一个拥有众多灌区的国家，面对这样广阔灌溉面积的水情数据，采用人工测报存在着大量问题，如数据不准确、反映水位、水流量数据不及时等，凸显维护成本高、管理不便的缺点。因此利用现代化的通信手段对水资源进行监控、管理和调配，并且使用计算机管理系统来实现对水位、流量等数据的采集与监测，在终端机上进行存储、查询等，从而充分有效的掌握水情，合理运用水资源，提高管理水平，取得更高的效益。目前推广水情自动监控技术，实现水利工程的优化调度已经成为世界各国水利工程的必要环节。如今我国的水利工程发展壮大，对国家建设起着日益关键的作用。而水情监控在防洪减灾、农林灌溉、城市供水等多方面是不可或缺的环节。从早期的人工采集数据逐层上报到如今的全自动化水情监控系统，我国的水情监控走过了很长的一段发展过程。随着水利水电建设项目的不断增多和管理运用的日益加强，对水文情报工作的要求也愈来愈高。水文情报监控，不仅是防汛抗旱、也是水利水电建设和合理调度水资源的一项基本工作。水情监控要求准确和快速，其中快速的基础是水情自动采集系统、准确的基础是科学可靠的实时预报模型。水情监控系统属于应用信息采集、通信、计算机技术，完成江河、水库、湖泊等流域水量、水位等数据的实时采集、报送和显示的信息系统。本系统正是基于以太网的通信方式，通过传感器采集数据，由PLC分析量化并送至组态，在终端上实现实时显示、查询等功能的水情监控系统。1 概述1.1 系统设计背景如今，水资源紧缺成为一个全球性的话题。在我们国家这个问题尤为严重，特别是自去年冬天一直延续到今春的我国北方大部分地区严重干旱更是再次敲响了警钟。水资源紧缺已迫在眉睫。我所在的华北某省整个冬天没有有效降水，对农作物生长、牲畜饮水都造成了极大危害。水资源正在变为一种越来越宝贵的稀缺资源，关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。因此更加合理的运用水资源、节省水资源势在必行。而水情监控在防洪减灾、合理利用水资源、充分利用水资源方面都有着不可替代的作用。以太网通讯在局域网中仍起着主导作用，充分利用以太网的大容量、高速度，以及学院局域网的有利条件开展此次设计。1.2 水情监控在国内外的发展情况我国水情监控系统的发展建设起步于1975年，大致分为三个阶段：第一阶段，大约从1977年底开始，经过5年左右的时间，研制出5-6套系统设备。这一阶段研制的设备都是采用分立元件组成。第二阶段，大约在1982年以后，随着微机的广泛推广使用，设备尽可能采用大规模集成电路，发展迅速，我国大部分监控系统是这一阶段的产物。第三阶段，以1986年5月水电部科学司主持召开的“小流域水情自动监控系统研讨会”为标志，开始有领导的定型阶段。从1986年以来一些主要研制单位积极围绕水电部的定型要求，组织技术攻关，开展定型工作。国外发达国家早已实现大面积水情远程监测，美国广泛使用自报式超短波系统、卫星平台进行水情监控。日本国土小，工业发达，其监控系统集成化和综合程度很高。多采用无人监控站，水情数据通过无线信道传到控制中心，利用计算机进行处理分析，发布预报或警报。国外发达国家的远程水情监控系统的特点是：系统发展比较完善，传感器测报设备先进可靠；通信方式多样化且十分先进；分析预报技术成熟并积极采用各种先进的技术。如今科学技术有了极大的发展，各种新技术，新材料应用在水情监控系统中。工作人员可以足不出户就掌握现场的实时水文资料。作为毕业设计，结合本专业学到的知识技能，借鉴了大量的资料，设计一个小型的水情监控系统。该系统可有效实现对一定量水池的水位数据的采集、传送、存储以及在远程终端的显示、查询等功能。1.3 设计目标与要求本设计要求实现基本的数据采集、处理、存储、显示、查询等功能，在局域网内任一终端可查询由主机发布的数据信息。 2 系统总体方案设计 系统计划采用压力式水位传感器采集数据后传送至PLC量化处理，然后送至上位机经组态存储显示和查询。如图2-1所示图2-1 系统流程图3 系统软硬件设计3.1 压力式水位传感器介绍本系统采用压力式水位传感器来采集水位信息。压力式水位传感器具有结构简单、测量精确、安装方便等特点。压力式传感器一般由不锈钢探头、导气电缆和电气盒构成。探头与电气盒之间由专用电缆连接，电缆有一导气管使传感器的背腔与大气相通，电缆与探头和电气盒之间为密封连接。 分体式结构:投入液体中的传感器部分为全密封不锈钢结构，电子线路部分壳体为铸铝结构，便于调校和接线 一体化结构:传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内，无需外部调校 传感器外壳的防护等级为IP68，接线盒的防护等级为IP65 该产品由高性能压力传感器作为测量元件，精度高、体积小、使用方便、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、灵敏度高、防水、抗结露 免维护，安装、调试方便，直接投入水中以测量出变送器末端到液面的液位高度。3.2 EM235A/D模块介绍 压力式水位传感器完成数据采集后，输出的数据为模拟量，要实现对模拟量的控制必须要有A/D和D/A模块。A/D模块把模拟量如电流、电压等转换成数字量，而D/A则正好相反，把数字量转换成模拟量，如电流、电压信号。本系统采用的A/D和D/A转换模块为EM235模块，EM235有四路A/D通道和一路D/A通道。其硬件结构图如3.2-1图3.2-1 EM235硬件结构图演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。EM235常用技术参数见表3.2-1表3.2-1 EM235常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位下表3.2-2说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。 表3.2-2 DIP开关设置EM235开关单/双极性选择增益选择衰减选择SW1SW2SW3SW4SW5SW6ON单极性OFF 双极性OFF OFF X1OFF ONX10 ONOFF X100ONON无效ONOFF OFF 0.8OFF ONOFF 0.4OFF OFF ON0.2由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。 表3.2-3 EM235DIP开关所有输出设置单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV 12.5V OFFONOFFONOFFON0到100mV 25V ONOFFOFFOFFONON0到500mV125uA OFFONOFFOFFONON0到1V 250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mV ONOFFOFFOFFOFFON0到20mA 5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V 2.5mV 双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFF OFF ONOFF OFF 25mV 12.5V OFF ONOFF ONOFF OFF 50mV 25VOFF OFF ONONOFF OFF 100mV 50V ONOFF OFF OFF ONOFF 250mV 125VOFF ONOFF OFF ONOFF 500 250VOFF OFF ONOFF ONOFF 1V 500V ONOFF OFF OFF OFF OFF 2.5V 1.25mV OFF ONOFF OFF OFFOFF 5V 2.5mV OFF OFF ONOFF OFF OFF 10V 5mV 6个DIP开关决定了所有的输入设置，也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。3.2 PLC的选型与工作原理当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。本设计采用西门子的S7-200型PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200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。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200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。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。本系统设计采用实验室配备的CPU226型。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI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。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。其硬件结构图如3.2-1所示。图3.2-1 PLC硬件结构图3.2.2 PLC各部分的作用与工作原理 3.2.2.1 中央处理器CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，其基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下：（非标题性标注，用特殊符号） 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。 将存于寄存器中的处理结果送至输出端。 应各种外部设备的工作请求。 3.2.2.2 存储器PLC的存储器分为两大部分：一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据；二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。3.2.2.3 PLC的基本工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图3.2.2.3-1 所示。 图3.2.2.3-1 PLC的扫描全过程3.2.2.3.1 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。3.2.2.3.2 程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。3.2.2.3.3 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。I/O端口设置见表3.2.2.3-1：表3.2.2.3-1 I/O端口设置DirAttribData功能唤醒功能功能描述000下拉是带下拉电阻的输入管脚001上拉是带上拉电阻的输入管脚010悬浮是悬浮式输入管脚011悬浮否悬浮式输入管脚10反相输出否Data数据位反相输出11同相输出否Data数据位同相输出由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。3.2.3 PLC编程STEP 7-Micro/WIN32 V3.1编程软件可以对所有的CPU 221/222/224/224XP/226功能进行编程。同时也可以使用STEP 7-Micro/WIN16 V2.1软件包，但是它只支持对S7-21x同样具有的功能编程。STEP 7-Micro/DOS不能对CPU 221/222/224/224XP/226编程。如果使用PG/PC的串口编程，则需要使用PC/PPI电缆。如果使用STEP 7-Micro/WIN32 V3.1编程软件，则也可以通过SIMATIC CP 5511或CP 5611编程。在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbit/s。可以利用PC/PPI 电缆和自由口通讯功能把 S7-200 CPU 连接到许多和RS-232标准兼容的设备。3.2.4 PLC通信带有RS-232口的隔离型 PC/PPI 电缆，用5个DIP开关设置波特率和其它配置项。带有RS-232口的非隔离型 PC/PPI 电缆，用4个DIP开关设置波特率。 有关非隔离型PC/PPI电缆的技术规范，请参阅S7-200 可编程控制器系统手册。当数据从RS-232传送到RS-485口时，PC/PPI 电缆是发送模式。当数据从RS-485传送到RS-232口时，PC/PPI 电缆是接收模式。当检测到RS-232的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。当RS-232发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。这个时间与电缆上的DIP开关设定的波特率选择有关。3.3 组态软件数据经PLC量化之后，进入组态并通过组态填入在计算机中建立的数据库。组态软件中建立画面，供实时显示和远程查询。3.3.1 组态王介绍组态王6.53是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向高端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效的获取信息，及时的做出反应，以获得最优化的结果。功能强大、性能稳定且易于使用。组态王6.53保持了组态王早期版本运行稳定、使用方便的特点。并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。该款产品的历史曲线、温控曲线以及配方功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。3.3.2 组态王6.53的主要功能特性可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理全新的WebServer架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布方便的配方处理功能丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块提供硬加密及软授权两种授权方式可以获得更加强大的数据存储能力组态王6.53集成了对KingHistorian的支持，极大的提高了组态王的数据存储能力，能够更好的满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。具有单个服务器支持高达10万点、支持256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过30,000 条记录的强大功能。能够更好的满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。3.3.3 组态的连接与通信组态王6.53已能连接PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等上千种工业自动化设备。支持设备之多之广可与国外优秀同类软件相媲美。通讯方式灵活多样，为用户提供了充足的选择空间，可以适应各种设计方案的需要。目前，组态王6.53支持的通讯方式已包括：串口通讯方式以太网方式GPRS通讯方式Lonworks现场总线方式BacNet现场总线方式4 系统功能4.1 数据采集压力式水位传感器采集到的数据为电流模拟量4.1.1 压力式水位传感器功能当把传感器投入到水中某一位置时，测点的静水压力为： （4.1.1-1）其中：测点的静水压力，测点水深，即测点至水面距离，；水体容重。推算得测点水深： （4.1,1-2）测点水位： （4.1.1-3）式中：是实际水深，为基本水深传感器把感受到的压力转换成电信号。传感器在量程范围内输出的信号为直流4-20mA信号，该信号与所测水位成线性关系。4.2 数据量化处理由压力式水位传感器采集到的模拟量数据送至PLC的EM235模块进行A/D转换，并由PLC处理4.3 数据存储查询数据经过PLC处理后进入组态，组态软件可以直观的查询并实时显示数据4.3.1 工程画面建立建立工程后，在组态王工程浏览器中建立“数据连接”工程画面。如图4.3.1-1所示：图4.3.1-1 新建画面4.3.2 建立组态王和PLC的连接在工程浏览器的设备COM2口中建立西门子S7-200与组态王的连接，建立步骤如图4.3.2-1所示： 图4.3.2-1 组态王和PLC建立通信4.3.3 建立变量在工程浏览器的数据库数据词典中建立“压力1”变量，对应PLC内寄存器V100的水位数据。建立DeviceID变量，变量类型为内存整型。日期和时间变量可直接采用系统自带变量，建立DeviceID变量的步骤如图4.3.3-1所示：图4.3.3-1 建立变量4.3.4 建立ODBC数据源以Microsoft Access数据库为例，建立ODBC数据源。在机器上D盘根目录下建立一个Microsoft Access数据库，名称为：SQL数据库.mdb；双击“数据源 (ODBC)”选项，弹出“ODBC数据源管理器”对话框，点击“用户DSN”属性页，如图4.3.4-1所示：图4.3.4-1 用户DSN属性 单击右边“添加”按钮，弹出“创建新数据源”窗口，从列表中选择“Microsoft Access Driver（*.mdb）”驱动程序，如图4.3.4-2所示：图4.3.4-2 创建新数据源 单击“完成”按钮，进入“ODBC Microsoft Access安装”对话框。在“数据源名”中输入数据源名称：mine；单击“选择”按钮，从计算机上选择数据库，选择好数据库后的对话框如图4.3.4-3所示： 图4.3.4-3 ODBC Microsoft Access安装对话框完成 完成Microsoft Access数据库ODBC数据源的定义。4.3.5 建立组态王和数据库的连接使用组态王与数据库进行数据通讯，首先要建立它们之间的连接。在机器上D盘根目录下建立的“SQL数据库.mdb”数据库中建立一个名为表1的表格，并在表设计器中添加相关字段和设置其数据类型。具体步骤如图4.3.5-1所示：图4.3.5-1 建立数据库和表格在工程浏览器中建立一个名为BIND的记录体，定义字段日期、时间、压力1。建立的步骤如图4.3.5-2所示：图4.3.5-2 建立BIND记录体连接数据库在工程浏览器命令语言应用程序命令语言写入如下命令启动时：SQLConnect( DeviceID, dsn=mine;uid=;pwd=);运行时：SQLInsert( DeviceID, 表1, BIND );建立和数据源mine连接，其中DeviceID是用户创建的内存整型变量，用来保存SQLConnect()函数为每个数据库连接分配的一个数值。 DeviceID:SQLConnct()产生的连接号。 表1 :需访问的数据库表名。 BIND :记录体。这样就建立好了PLC、组态王、数据库的三方连接，并且每15s向数据库中写入一次数据。4.3.6建立KVADODBGRID 控件在组态王画面里建立kvadodbgrid控件，设置其数据源并连接至对应的数据库，添加数据库表中的字段到控件。添加“查询所有数据”、“按日期查询”两个按钮，在两个按钮属性中分别写入如下命令。查询所有数据（弹起时）：string str;Ctrl.DeleteAllFields();Ctrl.SetConnectParam(mine, , , ) ;Ctrl.Table=表1;Ctrl.AddAllFields(45,1);str=Ctrl.Where;str=压力1=100;Ctrl.Where=str;Ctrl.FetchData();按日期查询（按下时）：string strWhere;strWhere=日期=+StrFromReal(本站点year,0,f)+-+StrFromReal(本站点month,0,f)+-+StrFromReal(本站点day,0,f)+; Ctrl.Where = strWhere; /重新设置查询条件 Ctrl.FetchData(); /按新设置的查询条件刷新数据集4.4 实时显示报表在画面中建立报表在报表中输入日期、时间、压力1三个字段，并且在对应的位置插入数据词典中日