??? 摘 要： 利用工業(yè)組態(tài)軟件" title="組態(tài)軟件">組態(tài)軟件強(qiáng)大的人機(jī)界面功能和靈活實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)功能，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)" title="工業(yè)以太網(wǎng)">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在組網(wǎng)中方便可靠的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)自來(lái)水廠的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
??? 關(guān)鍵詞： 組態(tài)軟件? 工業(yè)以太網(wǎng)? 可編程序控制器? 局域網(wǎng)
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??? 自動(dòng)化技術(shù)廣泛深入自來(lái)水行業(yè)是近年來(lái)水廠工藝發(fā)展最顯著的特點(diǎn)。伴隨著水廠自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)控制設(shè)備和機(jī)電儀表的發(fā)展,濾池自動(dòng)化、加藥智能化、泵站自動(dòng)化、水質(zhì)檢測(cè)自動(dòng)化逐步成熟,水廠自動(dòng)化在國(guó)內(nèi)已具備較好的技術(shù)環(huán)境。
??? 本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的PLC + PC 結(jié)構(gòu)的集散控制系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)筑上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)系統(tǒng)，并運(yùn)用目前最先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)組成網(wǎng)絡(luò)。此種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，很適合南方一些中小型自來(lái)水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)和改造，并且穩(wěn)定性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便，有很好的發(fā)展前景。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
??? 本設(shè)計(jì)以太湖之濱某鎮(zhèn)級(jí)自來(lái)水廠的自動(dòng)化改造為對(duì)象，目前日供水量為4萬(wàn)噸級(jí)，水廠廠區(qū)呈長(zhǎng)方形，制水設(shè)備分布比較分散，在廠區(qū)外還設(shè)有增壓泵站和多個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該注意數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)的合理選取，做到既能縮短各類(lèi)變送器同數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)的距離，減少干擾，又能盡量減少數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)的數(shù)量，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中應(yīng)充分引入抗干擾措施。同時(shí)要求有良好的人機(jī)交互界面，數(shù)據(jù)的顯示與保存有很好的完整性和實(shí)時(shí)性，此外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)便于拓展、易于實(shí)現(xiàn)，能為以后水廠發(fā)展和系統(tǒng)擴(kuò)建打好基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)使用PC機(jī)自帶的網(wǎng)卡，下位機(jī)數(shù)據(jù)采集站使用與Quantum系列PLC配套的工業(yè)以太網(wǎng)模塊。此工控局域網(wǎng)為積木式揉性結(jié)構(gòu)，便于網(wǎng)絡(luò)延伸和拓展。在辦公樓安置一臺(tái)工業(yè)交換機(jī)作為交換節(jié)點(diǎn)。另外根據(jù)要采集的數(shù)據(jù)的類(lèi)型和多少來(lái)確定每個(gè)PLC數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)需要的I/O模塊，原則是既要滿(mǎn)足當(dāng)前系統(tǒng)的需要，又要為將來(lái)可能的系統(tǒng)擴(kuò)展留下余地。
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??? 將全廠要采集的數(shù)據(jù)集中到三個(gè)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)：位于加藥間的1#PLC為一號(hào)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集加藥間、消毒間、進(jìn)水口以及廠區(qū)外的一個(gè)增壓泵站和三個(gè)測(cè)壓站的數(shù)據(jù)；位于消毒間附近的2#PLC為二號(hào)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集平流沉淀池、濾池以及排污池的數(shù)據(jù)；位于二泵房的3#PLC為三號(hào)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集二泵房、配電房的數(shù)據(jù)和出廠水的水質(zhì)參數(shù)。這些數(shù)據(jù)被采集到PLC站點(diǎn)后，經(jīng)過(guò)一定的濾波處理通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到位于加藥間的作為數(shù)據(jù)服務(wù)器的PC機(jī)上，這臺(tái)安裝有工業(yè)組態(tài)軟件的PC機(jī)是24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的，除了能實(shí)時(shí)顯示水廠數(shù)據(jù)外，最重要的功能是將采集來(lái)的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息等進(jìn)行存儲(chǔ)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)。位于水廠辦公樓的其他多臺(tái)安裝組態(tài)軟件的PC機(jī)作為系統(tǒng)中的客戶(hù)端，也運(yùn)行上述組態(tài)軟件，既可以實(shí)時(shí)查看水廠全部生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也可以查看服務(wù)器上的歷史數(shù)據(jù)，以指揮生產(chǎn)和調(diào)度。
2 下位機(jī)的設(shè)計(jì)
??? 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)使用Quantum系列PLC，在多臺(tái)PC機(jī)和三臺(tái)PLC數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)之間使用光纖工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，具有較高的傳輸速度及較好的可靠性和實(shí)時(shí)性，它比一般的DCS系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展；比現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有更好的傳輸速率，而且利用普通PC機(jī)的網(wǎng)卡，降低了成本。
??? 本系統(tǒng)中要采集的數(shù)據(jù)量比較多，在數(shù)字量方面，主要監(jiān)控水廠中各類(lèi)電機(jī)、抽水泵（如進(jìn)/出水水泵、加藥間提升泵、計(jì)量泵）和各類(lèi)閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)等，在獲取這些數(shù)字量時(shí)，適當(dāng)進(jìn)行信號(hào)隔離；在模擬量方面，使用優(yōu)質(zhì)探頭式液位變送器監(jiān)測(cè)平流沉淀池、清水池、濾池等的液位，使用超聲波液位計(jì)監(jiān)測(cè)原藥池等具有腐蝕性液體的液位，在對(duì)水質(zhì)參數(shù)如余氯值、水濁度等監(jiān)測(cè)時(shí)，使用具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表。各類(lèi)變送器和水質(zhì)儀表的輸出信號(hào)為4mA～20mA的電流信號(hào)，它直接通過(guò)屏蔽電纜進(jìn)入最近的PLC數(shù)據(jù)采集站，并通過(guò)PLC程序的軟件濾波技術(shù)進(jìn)行濾波，獲得精確可靠的數(shù)值上傳到服務(wù)器中顯示和保存。
??? 在傳輸介質(zhì)方面，由于服務(wù)器所在的加藥間距離辦公樓和二泵房等站點(diǎn)較遠(yuǎn)，雙絞網(wǎng)線(xiàn)的傳輸距離無(wú)法達(dá)到；且廠區(qū)開(kāi)闊,夏季多有雷雨，為此使用衰減小、抗干擾性強(qiáng)的光纖來(lái)進(jìn)行傳輸，這樣數(shù)據(jù)就有了一個(gè)高速、可靠的傳輸通道。
??? 由于廠區(qū)外的增壓泵站和多個(gè)測(cè)壓站距離水廠較遠(yuǎn)，所以選用數(shù)傳電臺(tái)" title="數(shù)傳電臺(tái)">數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，將傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳入1#PLC數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，由此并入工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)。以數(shù)傳電臺(tái)為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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??? 在廠外增壓泵站和測(cè)壓站的現(xiàn)場(chǎng)使用施奈德的Twido系列PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)RS485總線(xiàn)將數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)傳電臺(tái)傳出去。位于廠區(qū)內(nèi)的數(shù)傳電臺(tái)作為主站，主要負(fù)責(zé)接收廠區(qū)外的幾個(gè)數(shù)傳電臺(tái)的數(shù)據(jù)，它采用輪詢(xún)方式與幾個(gè)作為從站的數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行通訊，取得所需要的數(shù)據(jù)，再經(jīng)由485總線(xiàn)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Quantum PLC并進(jìn)入到工業(yè)以太網(wǎng)當(dāng)中。
3 上位機(jī)的設(shè)計(jì)
??? 上位機(jī)的主要工作是創(chuàng)建良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?，并要求有一定的組網(wǎng)功能。目前最流行的人機(jī)界面產(chǎn)品就是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)組態(tài)軟件。
??? 工業(yè)組態(tài)軟件是一種集數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制為一體的專(zhuān)用軟件，它能支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的工業(yè)組態(tài)軟件有以INTOUCH、IFIX為代表的進(jìn)口高端產(chǎn)品和以MCGS力控軟件和組態(tài)王為代表的在國(guó)內(nèi)工控界比較有影響的民族品牌。國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件同樣提供了資源管理器式的操作主界面，具有豐富的圖形、圖表功能和很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，由于具有卓越的性能，也被國(guó)外的廠商所采用。
??? 標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常是一種柔性結(jié)構(gòu)，用戶(hù)可以根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)立專(zhuān)門(mén)的I/O服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、登錄服務(wù)器和WEB服務(wù)器等。它完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶(hù)/服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式報(bào)警系統(tǒng)，可運(yùn)行在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)上，使用戶(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)上、下位機(jī)互連以及更高層次的廠級(jí)連網(wǎng)。
??? 本設(shè)計(jì)上位機(jī)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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??? 圖中服務(wù)器是位于加藥間的PC機(jī)，加載組態(tài)軟件。它充當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的I/O服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和登錄服務(wù)器等多種服務(wù)器，此PC機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)自來(lái)水廠所有的數(shù)據(jù)?？蛻?hù)端是指位于辦公樓的其他若干臺(tái)PC機(jī)，同樣加載組態(tài)軟件，用來(lái)觀察全廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和查詢(xún)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。
??? 通過(guò)組態(tài)軟件的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，從三個(gè)PLC數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)上采集到的數(shù)據(jù)都將被傳輸?shù)椒?wù)器上供存儲(chǔ)、調(diào)用或查詢(xún)。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，采用兩種途徑來(lái)保存數(shù)據(jù)：
????(1)利用組態(tài)軟件提供的歷史數(shù)據(jù)保存功能，可以將數(shù)據(jù)以REC的格式存儲(chǔ)起來(lái)，它可供組態(tài)軟件內(nèi)嵌的報(bào)表進(jìn)行調(diào)用和顯示。
??? (2)利用組態(tài)軟件的ODBC功能，通過(guò)組態(tài)軟件的模板和記錄體功能將數(shù)據(jù)以設(shè)定的時(shí)間間隔傳入ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，并可分門(mén)別類(lèi)地生成各式日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等，并可利用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的功能建立查詢(xún)功能。
??? 這兩種數(shù)據(jù)保存方式可以并行運(yùn)行，互為備份，特別是通過(guò)第二種方式可以建立一個(gè)完整的水廠數(shù)據(jù)庫(kù)，為未來(lái)水廠管理系統(tǒng)的升級(jí)提供很好的基礎(chǔ)。
??? 在上位機(jī)畫(huà)面的制作過(guò)程當(dāng)中，充分利用了組態(tài)軟件本身提供的各種功能，做到美觀、簡(jiǎn)潔、實(shí)用。作為示例，圖4為其中一個(gè)加藥間的畫(huà)面。
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??? 從圖4可以清晰地觀察到模擬量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，并伴有動(dòng)態(tài)顯示。數(shù)字量數(shù)據(jù)如提升泵、計(jì)量泵的運(yùn)行狀態(tài)由泵身的顏色變化來(lái)顯示。另外管道里的水流情況也可以動(dòng)態(tài)顯示，例如1#提升泵運(yùn)行，則相應(yīng)的水管里會(huì)出現(xiàn)藥液的流動(dòng)情況。
??? 系統(tǒng)中對(duì)個(gè)別的數(shù)據(jù)或畫(huà)面采取了保護(hù)措施，在系統(tǒng)中設(shè)置兩級(jí)管理員模式，對(duì)它們?cè)O(shè)置不同的管理權(quán)限，只有最高級(jí)別的管理員才可以查看這些重要的數(shù)據(jù)或畫(huà)面，管理員可以通過(guò)畫(huà)面右下方的按鈕進(jìn)行登陸或者退出，管理員的密碼也可以進(jìn)行設(shè)置和更改，充分保證了數(shù)據(jù)的安全性。
??? 該系統(tǒng)的另外一個(gè)特點(diǎn)就是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全廠設(shè)備的運(yùn)行情況。如果設(shè)備出現(xiàn)故障，不但畫(huà)面上設(shè)備本身會(huì)變成黃色并且閃動(dòng)，而且畫(huà)面上方的報(bào)警燈也會(huì)閃爍，之后還會(huì)有一黃色條幅出現(xiàn)，告訴值班人員出現(xiàn)故障的設(shè)備，并且開(kāi)始播放報(bào)警音樂(lè)，同時(shí)這些故障的數(shù)據(jù)也會(huì)存入到專(zhuān)門(mén)的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中，供其他人員查閱。
??? 系統(tǒng)中還加入了歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)功能，它通過(guò)表格和曲線(xiàn)圖兩種方式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)不但能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)日從0時(shí)以來(lái)的所有數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)需要查詢(xún)系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)任何一天的數(shù)據(jù)并自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表，供工作人員查閱、打印。?
??? 自系統(tǒng)投入使用以來(lái)，各數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)的設(shè)備均運(yùn)行正常，上位機(jī)二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件以其美觀、清晰、直觀的操作界面受到用戶(hù)的好評(píng)。數(shù)據(jù)的采集、傳輸和保存有很好的完整性。提高了水廠的自動(dòng)化和信息化水平，大大減輕了水廠工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
??? 本設(shè)計(jì)充分滿(mǎn)足了用戶(hù)水廠的監(jiān)控要求，搭建了很好的自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)；該系統(tǒng)中應(yīng)用的組態(tài)軟件和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)從根本上提升了自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，而且表現(xiàn)出更好的傳輸效率和可靠性；以其積木式柔性結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)為集散控制系統(tǒng)在水廠自動(dòng)化改造中的成功應(yīng)用提供了范例，也可以作為一種通用的技術(shù)推廣到電力、石化、鋼鐵等行業(yè)中去。
參考文獻(xiàn)
[1]? 施奈德電氣公司. Quantum用戶(hù)手冊(cè).
[2]? 余曄，王仲東，黃劍. RS485總線(xiàn)在微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003,25(1):69-72.
[3]? 馮冬琴，金建祥，諸健. “工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用”技術(shù)講座[J].自動(dòng)化儀表, 2003,24(5):67-70.
[4]? 邱偉民.基于工業(yè)以太網(wǎng)的自控系統(tǒng)應(yīng)用.有色冶金設(shè)計(jì)與研究, 2005,26(1):62-65.