基于MCGS的水井水泵自動監(jiān)控系統(tǒng)

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(qū)供水的重點工程，建設(shè)規(guī)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(wǎng)5km，管徑DN300～400mm。為了節(jié)約成本，供水系統(tǒng)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(fā)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(fā)，建立了水廠自動監(jiān)控管理系統(tǒng)，解決了多年來一直不能動態(tài)監(jiān)控工藝流程和設(shè)備安全運行的諸多問題。

1 系統(tǒng)控制要求①

為了節(jié)約人力成本，實現(xiàn)自動監(jiān)控與管理，要求在中控室內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)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(jù)實際工況修改。

c. 要求上位機能夠?qū)崟r監(jiān)控水井水泵的運行狀況，監(jiān)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(jù)要求自動生成和打印以上參數(shù)的報表信息，供統(tǒng)計和分析使用。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)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(gòu)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(tài)軟件，組態(tài)軟件中設(shè)置有手動/自動選擇開關(guān)，對S7-200PLC發(fā)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(shù)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(gòu)建的水廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

3.1 S7-200 PLC程序

水井水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，采用MCGS為上位機監(jiān)控軟件，PLC既是I/O接口，也是控制器，系統(tǒng)的控制任務(wù)由PLC來完成，通過分析被控對象的控制要求，所確定系統(tǒng)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(huán)控制隨時檢測水位變化并實時調(diào)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(qū)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(tài)不變。

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

根據(jù)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(diào)試。

3.2 MCGS監(jiān)控界面

MCGS是一種基于Microsoft(各種32位Windows平臺上)運行的組態(tài)軟件，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(yīng)用系統(tǒng)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略5個部分構(gòu)成，其中主控窗口主要完成系統(tǒng)菜單的制作，系統(tǒng)參數(shù)、啟動參數(shù)的制作，設(shè)備窗口主要用于連接驅(qū)動外部設(shè)備，用戶窗口主要完成動畫的制作、數(shù)據(jù)對象的連接，實時數(shù)據(jù)庫主要完成數(shù)據(jù)對象的建立與設(shè)置，運行策略主要完成啟動、循環(huán)及退出等策略。

3.2.1用戶窗口組態(tài)

圖2 控制系統(tǒng)的軟件流程

水井水泵自動化監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控窗口、電機運行參數(shù)窗口和曲線、報表、報警窗口，并設(shè)主監(jiān)控窗口為啟動窗口，在主監(jiān)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(jiān)控清水池液位變化，并設(shè)置手動/自動切換開關(guān)，設(shè)置水位上限、水位下限按鈕，做到在監(jiān)控界面上就可以根據(jù)實際情況修改水位上限和下限參數(shù)，在電機運行參數(shù)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(diào)用、打印。通過對系統(tǒng)安全機制的設(shè)置，對界面控制按鈕設(shè)置了權(quán)限，只有具有操作權(quán)限的人才可以發(fā)出控制命令，修改控制參數(shù)。

3.2.2實時數(shù)據(jù)庫與動畫連接

實時數(shù)據(jù)庫是MCGS數(shù)據(jù)交換的核心，主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象的建立，所建的部分數(shù)據(jù)對象及與PLC連接的關(guān)系見表2。

表2 部分數(shù)據(jù)對象定義

將以上數(shù)據(jù)對象與監(jiān)控界面中對應(yīng)的元件相連，設(shè)置屬性，完成動畫連接。

3.2.3PLC設(shè)備連接

設(shè)備窗口是MCGS與外部硬件連接的橋梁，在MCGS組態(tài)的設(shè)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(shè)備”和“西門子-S7200PPI”添加至組態(tài)畫面。在通用串口父設(shè)備中設(shè)置最小采樣周期為100，串口端口號根據(jù)實際串口號選擇，通信波特率根據(jù)PLC的通信波特率進行設(shè)置，數(shù)據(jù)校驗方式為偶校驗，在“西門子-S7200PPI”的“基本屬性”中，根據(jù)具體PLC地址設(shè)置“設(shè)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(shù)據(jù)對象，設(shè)置完畢后，在“西門子-S7200PPI”的“設(shè)備調(diào)試”欄中進行設(shè)備調(diào)試，如“通信狀態(tài)”標志欄顯示為0，即表示設(shè)備通信成功，任何非零的數(shù)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(shè)置，直至通信成功[5,6]。

3.2.4系統(tǒng)運行

系統(tǒng)運行時，可通過手動/自動選擇開關(guān)選擇控制方式，當選擇手動控制方式時，只能用現(xiàn)場手動啟停開關(guān)控制水井水泵的啟停，當選擇自動控制方式時，系統(tǒng)可根據(jù)清水池水位上、下限的設(shè)定值自動啟停水井水泵，且水位上、下限值可根據(jù)要求修改。系統(tǒng)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(shù)，根據(jù)需要系統(tǒng)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(qū)的位式控制算法，中間區(qū)是被控參數(shù)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(jié)束語

基于MCGS的水井水泵自動監(jiān)控系統(tǒng)自投入運行一年多以來，一直正常運行，實現(xiàn)了水井水泵的控制、系統(tǒng)各參數(shù)的實時采集和監(jiān)測，實時報表管理解決了工作人員需要每天到現(xiàn)場抄寫數(shù)據(jù)、巡檢設(shè)備的狀態(tài)，減輕了工作量，節(jié)約了成本。

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