莫索灣墾區(qū)自來(lái)水廠監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

馬 強(qiáng)，李江全，李 彬

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000）

組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是目前工控自動(dòng)化領(lǐng)域較為實(shí)用的一種監(jiān)控系統(tǒng)，在進(jìn)行水廠監(jiān)控中心軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，直接利用組態(tài)軟件包中的工具，完成硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖像組態(tài)等工作。水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用組態(tài)技術(shù)，可避免復(fù)雜的軟件編程問(wèn)題，著重對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而達(dá)到水廠實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。本文采用KingView組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了水廠監(jiān)控中心系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)水廠監(jiān)控可視化、管理科學(xué)化，提高水廠人員工作效率，增加水廠經(jīng)濟(jì)效益。

1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 莫索灣水廠簡(jiǎn)介

莫索灣隸屬新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師，下轄一四八、一四九、一五零3個(gè)團(tuán)場(chǎng)。2008年八師投資7200多萬(wàn)元實(shí)施莫索灣墾區(qū)安全飲水工程項(xiàng)目。項(xiàng)目新建了一座跨鎮(zhèn)集中供水工程、十戶攤水源地水廠和莫索灣中心水廠，新打機(jī)井7眼，開(kāi)挖輸水管道總長(zhǎng)133.7 km，建成6套自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)。

莫索灣水廠由水源地基站、中心水廠及3個(gè)分水廠組成。水源地基站建于距中心水廠19 km處，這一區(qū)域目前共建有7處取水泵房（泵房?jī)?nèi)的井深300 m），負(fù)責(zé)將地下符合標(biāo)準(zhǔn)的水抽取并輸送至水源地基站清水池內(nèi)。水源地泵房通過(guò)3臺(tái)30 kW的變頻泵將清水池中的水加壓輸送至中心水廠。中心水廠處理后再由3臺(tái)變頻泵 （1臺(tái)37 kW，2臺(tái)75 kW）加壓輸送至3個(gè)分水廠，最終由各分水廠負(fù)責(zé)給團(tuán)場(chǎng)供水。

1.2 水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)組成

1.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成與工作過(guò)程

自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由取水泵房PLC系統(tǒng)、水源地基站PLC系統(tǒng)、中心水廠PLC系統(tǒng)及泵房水池PLC系統(tǒng)組成。PLC選用西門(mén)子公司的SIMATIC S7系列。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Waterworks automatic monitoring system network topology diagram

中心水廠控制室內(nèi)上位機(jī)組態(tài)軟件控制整個(gè)水廠泵房的各個(gè)相關(guān)設(shè)備，顯示水池液位、管道壓力、供水流量、電機(jī)電流等參數(shù)，并設(shè)置有報(bào)警指示。允許監(jiān)控人員在人機(jī)界面上對(duì)參數(shù)修改，遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)設(shè)備。中心水廠主控室同時(shí)接收來(lái)自各PLC子站采集到的數(shù)據(jù)，如水池液位、水管壓力、泵組的電流電壓值等，顯示在上位機(jī)監(jiān)控界面上[1]。正常情況下監(jiān)控人員無(wú)需操作，水廠生產(chǎn)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)監(jiān)控界面報(bào)警時(shí)，水廠生產(chǎn)出現(xiàn)異常，監(jiān)控人員根據(jù)實(shí)際情況下達(dá)指令，手動(dòng)修改對(duì)應(yīng)參數(shù)。由上位機(jī)發(fā)送給相關(guān)PLC子站，完成處理動(dòng)作，如取水泵的啟動(dòng)或停止、變頻泵的調(diào)頻、電磁閥的關(guān)閉或打開(kāi)等，控制水廠恢復(fù)正常。

1.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的通信方案

為了確保自來(lái)水廠生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制，各個(gè)設(shè)備之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以選擇一種可靠性高、穩(wěn)定性好且經(jīng)濟(jì)合理，符合水廠實(shí)際需求的通信方式是水廠自動(dòng)化建設(shè)中的重要部分。根據(jù)莫索灣墾區(qū)自來(lái)水廠的實(shí)際情況，選擇有線、無(wú)線并存的通訊方式較為經(jīng)濟(jì)。水源地水井群距離中心水廠19 km，距離較遠(yuǎn)。采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)）將水源地取水泵房PLC站與中心水廠聯(lián)系起來(lái)。中心水廠和各PLC子站中有大量的檢測(cè)儀表和控制設(shè)備，如液位計(jì)、流量計(jì)、壓力變送器、變頻器、電磁閥等。根據(jù)這些設(shè)備之間位置分散但距離較近的特點(diǎn)，選用較為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的主從式485總線通信。

1.3 軟件總體設(shè)計(jì)

1.3.1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的組態(tài)過(guò)程

水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)使用組態(tài)王KingView完成上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，包括控制組態(tài)和圖形顯示組態(tài)。

控制組態(tài)負(fù)責(zé)上位機(jī)組態(tài)王和下位機(jī)PLC的通信。組態(tài)王和S7-200系列PLC之間采用串行通信方式，使用標(biāo)準(zhǔn)485電纜連接上位機(jī)IPC的串口和PLC的PPI編程口，其中PLC的地址通過(guò)編程軟件Step7-MicroWIN進(jìn)行設(shè)置。組態(tài)王按照MPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)S7-200 PLC中數(shù)據(jù)的讀取和控制指令的下發(fā)，完成控制組態(tài)。

圖形顯示組態(tài)負(fù)責(zé)創(chuàng)建顯示界面，并在運(yùn)行過(guò)程時(shí)提供動(dòng)態(tài)效果。界面創(chuàng)建過(guò)程中利用圖庫(kù)中的各種基本元件，包括水泵、反應(yīng)器、攪拌器、儀表、管道、閥門(mén)等。同時(shí)使用繪圖工具中“歷史趨勢(shì)曲線”和“實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”來(lái)完成顯示界面中相應(yīng)的曲線圖表。對(duì)顯示界面上的相關(guān)文本框、曲線圖表等進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接操作，完成圖形顯示組態(tài)。

1.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件功能

水廠監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集顯示、保存、報(bào)表查詢和參數(shù)異常報(bào)警等功能[2]，確保值班人員通過(guò)組態(tài)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控。水廠監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

1）數(shù)據(jù)采集顯示功能。水廠監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)與PLC的通信，在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，使工作人員了解生產(chǎn)環(huán)節(jié)的情況。

圖2 水廠監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Waterworks monitoring system function block diagram

2）數(shù)據(jù)保存和報(bào)表查詢功能。管道壓力、電機(jī)電流、水池水位及供水流量等重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。報(bào)表上顯示中心水廠向各分水廠供水流量、管道壓力、水池水位及時(shí)間等。工作人員能夠查詢實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)，為自來(lái)水廠的合理生產(chǎn)提供參考。

3）參數(shù)異常報(bào)警功能。水廠生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)某一環(huán)節(jié)參數(shù)異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)警，提醒工作人員處理，提高生產(chǎn)的安全性。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)登錄界面

登錄界面添加水廠地理位置圖像，界面顯示整個(gè)供水管線的分布。界面左上部分設(shè)置“系統(tǒng)菜單”按鈕，單擊選擇下拉項(xiàng)中的“登錄”，輸入密碼進(jìn)入水廠監(jiān)控系統(tǒng)。登錄界面上設(shè)置的矩形框分別代表水源地基站、中心水廠及3個(gè)分水廠。單擊矩形框進(jìn)入對(duì)應(yīng)監(jiān)控界面，如要進(jìn)入中心水廠監(jiān)控界面，單擊畫(huà)面中的“中心水廠”矩形框跳轉(zhuǎn)到中心水廠監(jiān)控界面。矩形框中的藍(lán)色部分高度表示各水池水位情況。

2.2 水源地監(jiān)控

水源地7口機(jī)井負(fù)責(zé)將地下深層水抽取輸送至水源地清水池，泵房?jī)?nèi)3臺(tái)30 kW的變頻泵（1臺(tái)備用泵）從清水池內(nèi)抽水加壓后輸送到19 km處的中心水廠。

主控室值班人員遠(yuǎn)程監(jiān)控水源地基站運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)責(zé)7口機(jī)井的開(kāi)啟/停止、變頻泵頻率的設(shè)定，維持清水池水位處于安全區(qū)間。清水池水位的安全區(qū)間為1.5 m～3.5 m，當(dāng)水位值高于3.5 m或者低于1.5 m時(shí)，值班員停止或啟動(dòng)部分機(jī)井，以減少或增加進(jìn)入水池的流量；同時(shí)通過(guò)改變變頻泵的頻率來(lái)增加或減小出池流量，維持清水池水位值恢復(fù)至安全區(qū)間。夏季用水高峰期7口機(jī)井24 h常開(kāi)，用水淡季只需開(kāi)啟部分機(jī)井。冬季水源地清水池和泵房不需要工作，打開(kāi)旁路電動(dòng)閥，關(guān)閉主線電動(dòng)閥，源水從機(jī)井抽取通過(guò)旁支管道直接送至中心水廠。

水源地監(jiān)控界面上方設(shè)置“去井群”按鈕，單擊進(jìn)入井群監(jiān)控界面，如圖3所示。界面上顯示7口機(jī)井泵組電流、電壓，水井水位及管道壓力等參數(shù)。監(jiān)控人員通過(guò)對(duì)每口機(jī)井的“開(kāi)啟”、“關(guān)閉”按鈕遠(yuǎn)程控制機(jī)井的啟停。

圖3 井群監(jiān)控界面Fig.3 Well group supervisory interface

使用STEP 7 MicroWIN編程軟件編寫(xiě)PLC程序。圖4為1號(hào)井PLC與STC-201數(shù)據(jù)采集程序中的部分梯形圖，完成讀取從站保持寄存器的數(shù)據(jù)功能。建議每一個(gè)讀寫(xiě)功能（即MBUS_MSG）都用上一個(gè)MBUS_MSG指令的Done完成位來(lái)激活，以保證所有讀寫(xiě)請(qǐng)求必須使用脈沖觸發(fā)。RW位讀寫(xiě)操作，0表示讀，1表示寫(xiě)。注意：開(kāi)關(guān)量輸出和保持寄存器支持讀和寫(xiě)功能；開(kāi)關(guān)量輸入和模擬量輸入只支持讀功能。Count通訊的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，Modbus主站可讀/寫(xiě)的最大數(shù)據(jù)量為 120個(gè)字 （是指每一個(gè)MBUS_MSG指令）。DazaPra為數(shù)據(jù)指針，如果是讀指令，讀回的數(shù)據(jù)放到這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中；如果是寫(xiě)指令，要寫(xiě)出的數(shù)據(jù)放到這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中。

圖4 1號(hào)井?dāng)?shù)據(jù)采集部分程序圖Fig.4 No.1 well data acquisition part of the program diagram

2.3 中心水廠監(jiān)控

源水進(jìn)入中心水廠處理后經(jīng)管道進(jìn)入 2個(gè)1000 m3的清水池，泵房中的3臺(tái)變頻泵（其中2號(hào)變頻泵為備用工作泵）負(fù)責(zé)將清水池中的水加壓供給3個(gè)分水廠。

主控室值班人員主要負(fù)責(zé)監(jiān)控2個(gè)清水池水位，變頻泵的啟停狀態(tài)、工作電流和分水廠管道流量計(jì)的數(shù)值等。清水池4 m深，監(jiān)控系統(tǒng)在水位高于3.5 m或低于1.5 m時(shí)報(bào)警，值班人員接到報(bào)警提示后，手動(dòng)改變中心水廠變頻泵頻率，增大或減小自來(lái)水出廠流量。同時(shí)改變水源地變頻泵頻率，改變進(jìn)廠源水流量，使中心水廠清水池水位恢復(fù)到安全區(qū)間范圍。監(jiān)控界面上顯示當(dāng)前清水池液位值、泵組電流、電壓值等參數(shù)，并在“歷史曲線”中實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線[5]。

2.4 分水廠監(jiān)控

自來(lái)水從中心水廠出廠分流供給3個(gè)分水廠，如圖5所示。每個(gè)分水廠設(shè)置有2個(gè)1000 m3的清水池。值班人員遠(yuǎn)程監(jiān)控各分水廠水池水位，通過(guò)控制中心水廠出水量和分水廠電磁閥的啟停狀態(tài)，控制水池水位處于安全區(qū)間。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)組態(tài)軟件KingView開(kāi)發(fā)周期短、系統(tǒng)配置靈活及可靠易操作等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了莫索灣水廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件。監(jiān)控界面簡(jiǎn)潔，清晰。運(yùn)行結(jié)果表明，有效地降低了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了水廠供水的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 分水廠監(jiān)控界面Fig.5 Waterworks monitoring interface

[1] 賀代春.基于RS-485的自來(lái)水廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，12（1）：137-139.

[2] 趙蘭，駱傳洋.基于組態(tài)王的智能儀表液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，20（4）：24-27.

[3] 王偉星.自來(lái)水廠生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].四川：電子科技大學(xué)，2012.

[4] 艾紅，鄧大偉，鄺野.遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化儀表，2012，33（8）：31-33.

[5] 徐亞峰，劉煥強(qiáng)，顧曉峰，等.基于ZigBee和GPRS的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（3）：328-331.