基于kingview组态软件的供水控制系统上位机监控系统设计

一．本论文研究的背景 如何对一个系统进行有效的管理和应用，而又不必有过多的投入，充分利用现代计算机技术的应用和发展。减小一些硬件的投入，通过软件实现硬件的功能。这就产生了“组态”这种技术，它充分的利用了计算机技术，又对硬件进行了有效的管理。同时也减小了一些硬件的投入。以这种“组态”技术为依托，人们发明了“组态”软件。组态软件构成的网络可以联网，它的兼容性比较强，不像专业PLC构成的网络。它与 internet联网不大容易。组态软件可以充分利用电脑的资源。 二．本论文完成的工作 在基于kingview组态软件的供水控制系统上位机监控系统设计的过程中，本论文主要作了以下的工作： 1. 知道了无塔恒压供水系统的工艺过程和常规电气控制系统的工作原理。 2. 熟悉了Kingview组态软件的编程环境、编程方法和用Kingview组态软件编写上位机监控系统程序。 3. 对系统进行了调试和编写控制系统使用操作说明书。 三．组态软件的介绍 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态（configuration）意思就是模块的任意组合，采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上，除采用工业PC机外，系统大量采用各种成熟通用的I/O接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行具体电路设计。这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用成熟的工控开发的工具软件，它为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。 工控组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术，使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成监控程序设计，降低了监控程序开发的难度。组态软件均具有良好的扩展性、兼容性，软件结构开放，可接受各种形式的数据格式。同时，支持的硬件类型也十分广泛[1]。工控组态软件的出现，使得大型工业控制系统的组态编程变得十分得简单、容易，工程设计人员不用再设计那些复杂的应用程序（如I/O driver等）。工控组态软件的功能包括数据库生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连续调节功能。目前有许多工控组态软件。例如：Intouch、Fix、Citech、WinCC、Controx（开物）、Force control（力控）、组态王。 四．恒压供水系统介绍 下面以一个三台泵生活/消防双恒压供水系统为例来说明其工艺过程（已做过简化），它主要是由PLC、变频器、压力传感器、水泵断路器、接触器、中间继电器以及水泵等组成。用户通过控制柜上的指示操作面板上的指示灯、TD-200显示屏及按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。如图1-1所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，它们自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱内注水。水池的高/低水位信号也接送给PLC，作为低水位报警用。通过安装在出水管网上的远传压力传感器将压力信号转化为4-20mA的标准信号送入PLC，经PID运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵转速，调节系统供水量，使系统的供水管网压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用户用水量的大小来控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以压力设定值为基准的闭环控制系统[2]。 为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是很大。生活用水和消防用水共六台泵，其中三台消防泵，另外三台是生活泵，平时由三台生活泵负责生活用水，当消防系统启动时，生活用水水泵立即停止运行，消防泵立即投入运行，并按设定压力对消防水泵进行变频调速。消防系统警报解除后，生活泵再投入运行。 以生活供水这一个系统的电气控制为例，其电气控制部分主电路原理图如图1-2所示：三台电机为M1、M2、M3.接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行，接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器，QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关，FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。 五．双恒压无塔供水系统原理 ① 下位机控制原理 恒压供水控制系统的基本控制原理是：采用电动机调速装置与可编程控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控。如图1-3为其下位机的控制原理。 ② 上位机监控原理 上位机即是我们通常用的计算机，它也可以对系统进行监控，但是要在组态以后，才能对系统进行监控。这是一个数据进行交换的过程。我们要利用组态软件有数据交换的功能。通过一根电缆，使它与PLC进行数据。这样的情况与才能用组态软件进行监控系统。并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。能够对系统运行进行操作，具用实时报警、报警记录和历史数据记录功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。这样的监控更加的简单，人们一看就能够理解。 六．恒压供水系统的组态过程 组态王组态过程要经过定义变量、简单画面设计、编辑与动画连接和命令语言程序编写。下面介绍一下这几个过程。 ① 定义变量 要组态王知道外部设备的状态，以及能够输出控制信号，需要建立相应的变量。根据I/O变量表，我们需要建立3个I/O输入变量，12个I/O输出变量。同时也要建立一些相应的内存变量。以便组态王能够与S7-200进行数据交换。单击“数据库”大纲项下面的“数据词典”成员名，然后在目录内容显示区双击“新建”图标，出现“定义变量”窗口。在“基本属性”页中输入变量名“生活/消防控制信号”，变量类型设置为“I/O离散”，连接设备设置为“新I/O设备”，寄存器设置为“I0.0”，数据类型设置为“bit”,读写属性设置为“只读”，采集频率设置为“100ms”。如图1-4所示。 ② 简单画面的设计、编辑与动画连接 用户可以充分利用组态提供的各种绘图工具、图库来制作画面，使得画面能够逼真地反映控制系统的工作状况，并且可以通过画面操作控制系统的运行状况。如图1-5所示。动画连接建立了数据中的变量与图形画面中的图素之间的关系。只有建立了动画连接，才能将数据中的变量信息反映到图形画面中来，或者从图形画面控制这变量。 ③ 命令语言程序编写 组态王需要在运行时根据现场设备的情况来进行监控。同时给下位机写入运行参数。具体的控制要求如下,我们根据控制要求编写应用程序。对总数为六台泵的生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： （1）生活供水时系统低恒压值运行，消防供水时系统高恒压值运行，生活用水时用生活管道，消防用水时用消防管道，两种供水方式走不一样的管道； （2）生活/消防各使用三台泵，并根据各自的需要设定压力，采取“先开先停”的原则接入和退出； （3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过设定的切换时间，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长； （4）三台泵在启动时要有软启动功能； （5）要有完善的报警功能； （6）对泵的操作要有手动控制功能。手动只在应急或调试时临时使用; （7）如果水位低于下限，则打开开水阀，使市网水管的水流入水箱，对水箱进行注水; （8）水位上升到上限，则关闭开水阀; （9）水位从上限下降到下限之前，开水阀不工作; （10）采用组态王设计的监控程序能显示和设定系统工作状态、参数，能对系统进行操作，具有实时报警记录和历史数据记录功能。 根据这写出的应用程序如下图1-6所示。 经过这几个步骤，基本上完成了系统组态，但要对其进行调试。在组态王运行系统里，仔细观察各个信号是否正常，如果有不正常的情况出现，分析可能存在的原因，如果变量设置错误，对象参数设置错误，动画连接错误，表达式错误，命令语言错误等。通过“画面-退出 ”菜单项，可以退出组态王运行系统，同时也可以通过“系统设置”退出系统。回到工程浏览器或者组态王开发系统，做出相应的修改后再次进入组态王运行系统进行观察，这需要反复多次才能使得系统工作完全正常。 七．总结 本论文完成了用组态王软件对恒压供水系统上位机监控的功能。它实现了恒压供水系统的自动监控，能显示和设定系统工作状态和参数，能对系统运行进行操作，具有实时报警、报警记录和历史数据记录功能。可以说大大提高了自动化水平。可以很好的服务于人们的日常生活。 但本论文组态的恒压供水系统也存在一些不足，不能随便开启任一台水泵，这要通过编写程序来实现。由于本人水平有限，没有编写出这些程序。它只是监控哪一台水泵起动了。