基于MCGS的水井水泵自動監控系統

胡 兵 王小娟 袁 勇

(新疆工程學院，烏魯木齊 830011)

新疆某縣第二水廠是為保障該縣新建城區供水的重點工程，建設規模較大，占地面積17 515m2，新建2 000m3清水池1座，水源井2眼，新建管網5km，管徑DN300～400mm。為了節約成本，供水系統采用成熟的恒壓供水變頻裝置，采用北京某公司的MCGS作為開發平臺，對管道壓力、清水池水位和水井水泵的控制進行二次開發，建立了水廠自動監控管理系統，解決了多年來一直不能動態監控工藝流程和設備安全運行的諸多問題。

1 系統控制要求①

為了節約人力成本，實現自動監控與管理，要求在中控室內能夠實現自動控制，控制要求如下：

a. 要求手動、自動控制兩臺水井水泵的啟、停，水泵采用星-三角控制。

b. 要求當清水池水位低于水位下限時，啟動兩臺水井水泵，當清水池水位高于水位上限時，停止兩臺水泵，且清水池水位上、下限值可根據實際工況修改。

c. 要求上位機能夠實時監控水井水泵的運行狀況，監控泵房中4個水泵的壓力、電流、工頻和變頻運行情況。

d. 上位機根據要求自動生成和打印以上參數的報表信息，供統計和分析使用。

2 系統組成

系統主要由山特UPS電源、研華工控機、S7-200 PLC(CPU226)、模擬量擴展模塊EM231、百特工控壓力變送器(0～1MPa)、投入式液位變送器(0～5m)和電量變送器構成，變送器與PLC之間通過0.75mm2的RVVP電纜連接，S7-200 PLC與上位機之間采用PC/PPI電纜連接。

工控機上安裝有MCGS組態軟件，組態軟件中設置有手動/自動選擇開關，對S7-200PLC發送自動和手動命令，水井水泵和泵房水泵的啟停通過S7-200PLC數字量輸入端口采集，并實時顯示在上位機的MCGS界面上，清水池水位、泵房水管壓力通過S7-200PLC的模擬量模塊采集，并實時顯示在上位機的MCGS界面中。筆者構建的水廠自動化監控系統結構如圖1所示。

圖1 水廠自動化監控系統結構框圖

3 系統軟件設計方案

3.1 S7-200 PLC程序

水井水泵自動化監控系統設計中，采用MCGS為上位機監控軟件，PLC既是I/O接口，也是控制器，系統的控制任務由PLC來完成，通過分析被控對象的控制要求，所確定系統的主要I/O分配見表1。

表1 PLC 程序主要I/O點分配

由于負荷用水量隨著用戶的變化而變化，造成清水池的水位隨之改變，要保持清水池水位在3～5m，可采用閉環控制隨時檢測水位變化并實時調整進水量。對泵的實際操作不當，會導致水泵進口流速和壓力分布不均勻[1,2]。由于控制范圍很寬，控制精度要求不高，可以采用帶中間區的位式控制算法[3,4]，即當清水池水位高于水位上限或低于水位下限時，控制器動作；當清水池水位在水位上、下限之間時，控制器保持原狀態不變。

系統采用微阻緩閉止回閥，可以有效防止水錘效應，結合控制要求和算法分析，確定控制系統的軟件流程如圖2所示。

根據軟件流程在STEP 7-MicroWIN中編制主程序和子程序，并完成程序的調試。

3.2 MCGS監控界面

MCGS是一種基于Microsoft(各種32位Windows平臺上)運行的組態軟件，通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線及報表輸出等多種方式反映給操作人員。MCGS用戶應用系統由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略5個部分構成，其中主控窗口主要完成系統菜單的制作，系統參數、啟動參數的制作，設備窗口主要用于連接驅動外部設備，用戶窗口主要完成動畫的制作、數據對象的連接，實時數據庫主要完成數據對象的建立與設置，運行策略主要完成啟動、循環及退出等策略。

3.2.1用戶窗口組態

圖2 控制系統的軟件流程

水井水泵自動化監控系統由2臺水井水泵、4臺壓力泵和2座清水池組成，用戶窗口中新建3個窗口，分別為主監控窗口、電機運行參數窗口和曲線、報表、報警窗口，并設主監控窗口為啟動窗口，在主監控窗口中顯示水井水泵的啟停狀況、壓力泵變頻/工頻運行狀況和各個管道壓力、流量狀況，監控清水池液位變化，并設置手動/自動切換開關，設置水位上限、水位下限按鈕，做到在監控界面上就可以根據實際情況修改水位上限和下限參數，在電機運行參數窗口顯示電機運行電流、電壓狀況，在曲線、報表、報警窗口顯示電機電流、電壓和管道壓力、清水池水位的實時報表和歷史報表，供操作管理人員調用、打印。通過對系統安全機制的設置，對界面控制按鈕設置了權限，只有具有操作權限的人才可以發出控制命令，修改控制參數。

3.2.2實時數據庫與動畫連接

實時數據庫是MCGS數據交換的核心，主要完成系統數據對象的建立，所建的部分數據對象及與PLC連接的關系見表2。

表2 部分數據對象定義

將以上數據對象與監控界面中對應的元件相連，設置屬性，完成動畫連接。

3.2.3PLC設備連接

設備窗口是MCGS與外部硬件連接的橋梁，在MCGS組態的設備窗口中打開工具箱，用鼠標按順序先后雙擊“通用串口父設備”和“西門子-S7200PPI”添加至組態畫面。在通用串口父設備中設置最小采樣周期為100，串口端口號根據實際串口號選擇，通信波特率根據PLC的通信波特率進行設置，數據校驗方式為偶校驗，在“西門子-S7200PPI”的“基本屬性”中，根據具體PLC地址設置“設備地址”，默認地址為2，在“西門子-S7200PPI”的“通道連接”中連接表2中所定義的數據對象，設置完畢后，在“西門子-S7200PPI”的“設備調試”欄中進行設備調試，如“通信狀態”標志欄顯示為0，即表示設備通信成功，任何非零的數為通信不成功，需要檢查串口、PLC地址、通信波特率及奇偶校驗位等設置，直至通信成功[5,6]。

3.2.4系統運行

系統運行時，可通過手動/自動選擇開關選擇控制方式，當選擇手動控制方式時，只能用現場手動啟停開關控制水井水泵的啟停，當選擇自動控制方式時，系統可根據清水池水位上、下限的設定值自動啟停水井水泵，且水位上、下限值可根據要求修改。系統可實時顯示清水池水位變化，顯示管道出水口的壓力和電機的各項參數，根據需要系統也可自動生成各種報表，如日報表、周報表、月報表及年報表等，并可打印報表，供分析使用。由于控制精度要求不高，采用了帶有中間區的位式控制算法，中間區是被控參數波動的范圍，自動運行時，清水池水位上限和清水池水位下限的值要求相距不能太近，否則會造成水井水泵電機啟停過于頻繁。

4 結束語

基于MCGS的水井水泵自動監控系統自投入運行一年多以來，一直正常運行，實現了水井水泵的控制、系統各參數的實時采集和監測，實時報表管理解決了工作人員需要每天到現場抄寫數據、巡檢設備的狀態，減輕了工作量，節約了成本。

[1] 袁秀英.組態控制技術[M].北京：電子工業出版社，2003：62～150.

[2] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社,2009.

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