莫索湾垦区自来水厂监控中心软件设计

马 强，李江全，李 彬

（石河子大学 机械电气工程学院，石河子 832000）

组态监控系统是目前工控自动化领域较为实用的一种监控系统，在进行水厂监控中心软件开发设计中，直接利用组态软件包中的工具，完成硬件组态、数据组态、图像组态等工作。水厂自动监控系统应用组态技术，可避免复杂的软件编程问题，着重对系统数据进行分析处理，从而达到水厂实时监控的目的。本文采用KingView组态软件设计了水厂监控中心系统，以实现水厂监控可视化、管理科学化，提高水厂人员工作效率，增加水厂经济效益。

1 自动监控系统总体设计

1.1 莫索湾水厂简介

莫索湾隶属新疆生产建设兵团第八师，下辖一四八、一四九、一五零3个团场。2008年八师投资7200多万元实施莫索湾垦区安全饮水工程项目。项目新建了一座跨镇集中供水工程、十户摊水源地水厂和莫索湾中心水厂，新打机井7眼，开挖输水管道总长133.7 km，建成6套自动遥测系统。

莫索湾水厂由水源地基站、中心水厂及3个分水厂组成。水源地基站建于距中心水厂19 km处，这一区域目前共建有7处取水泵房（泵房内的井深300 m），负责将地下符合标准的水抽取并输送至水源地基站清水池内。水源地泵房通过3台30 kW的变频泵将清水池中的水加压输送至中心水厂。中心水厂处理后再由3台变频泵 （1台37 kW，2台75 kW）加压输送至3个分水厂，最终由各分水厂负责给团场供水。

1.2 水厂自动监控系统组成

1.2.1 监控系统的组成与工作过程

自动监控系统主要由取水泵房PLC系统、水源地基站PLC系统、中心水厂PLC系统及泵房水池PLC系统组成。PLC选用西门子公司的SIMATIC S7系列。系统网络拓扑图如图1所示。

图1 水厂自动监控系统网络拓扑图Fig.1 Waterworks automatic monitoring system network topology diagram

中心水厂控制室内上位机组态软件控制整个水厂泵房的各个相关设备，显示水池液位、管道压力、供水流量、电机电流等参数，并设置有报警指示。允许监控人员在人机界面上对参数修改，远程控制生产设备。中心水厂主控室同时接收来自各PLC子站采集到的数据，如水池液位、水管压力、泵组的电流电压值等，显示在上位机监控界面上[1]。正常情况下监控人员无需操作，水厂生产自动运行。当监控界面报警时，水厂生产出现异常，监控人员根据实际情况下达指令，手动修改对应参数。由上位机发送给相关PLC子站，完成处理动作，如取水泵的启动或停止、变频泵的调频、电磁阀的关闭或打开等，控制水厂恢复正常。

1.2.2 监控系统的通信方案

为了确保自来水厂生产过程的自动化控制，各个设备之间需要进行数据通信，所以选择一种可靠性高、稳定性好且经济合理，符合水厂实际需求的通信方式是水厂自动化建设中的重要部分。根据莫索湾垦区自来水厂的实际情况，选择有线、无线并存的通讯方式较为经济。水源地水井群距离中心水厂19 km，距离较远。采用无线网络通信技术（无线数传电台）将水源地取水泵房PLC站与中心水厂联系起来。中心水厂和各PLC子站中有大量的检测仪表和控制设备，如液位计、流量计、压力变送器、变频器、电磁阀等。根据这些设备之间位置分散但距离较近的特点，选用较为简单、经济、可靠的主从式485总线通信。

1.3 软件总体设计

1.3.1 自动监控系统中的组态过程

水厂自动监控系统使用组态王KingView完成上位机软件的设计，包括控制组态和图形显示组态。

控制组态负责上位机组态王和下位机PLC的通信。组态王和S7-200系列PLC之间采用串行通信方式，使用标准485电缆连接上位机IPC的串口和PLC的PPI编程口，其中PLC的地址通过编程软件Step7-MicroWIN进行设置。组态王按照MPI协议实现对S7-200 PLC中数据的读取和控制指令的下发，完成控制组态。

图形显示组态负责创建显示界面，并在运行过程时提供动态效果。界面创建过程中利用图库中的各种基本元件，包括水泵、反应器、搅拌器、仪表、管道、阀门等。同时使用绘图工具中“历史趋势曲线”和“实时趋势曲线”来完成显示界面中相应的曲线图表。对显示界面上的相关文本框、曲线图表等进行动态链接操作，完成图形显示组态。

1.3.2 监控系统组态软件功能

水厂监控系统组态软件主要包括数据采集显示、保存、报表查询和参数异常报警等功能[2]，确保值班人员通过组态监控界面实现对水厂各个环节的监控。水厂监控系统功能框图如图2所示。

1）数据采集显示功能。水厂监控系统通过与PLC的通信，在监控界面上实时显示数据，使工作人员了解生产环节的情况。

图2 水厂监控系统功能框图Fig.2 Waterworks monitoring system function block diagram

2）数据保存和报表查询功能。管道压力、电机电流、水池水位及供水流量等重要数据实时保存在数据库中。报表上显示中心水厂向各分水厂供水流量、管道压力、水池水位及时间等。工作人员能够查询实时或历史数据，为自来水厂的合理生产提供参考。

3）参数异常报警功能。水厂生产过程中出现某一环节参数异常时，监控系统能够及时报警，提醒工作人员处理，提高生产的安全性。

2 软件设计

2.1 系统登录界面

登录界面添加水厂地理位置图像，界面显示整个供水管线的分布。界面左上部分设置“系统菜单”按钮，单击选择下拉项中的“登录”，输入密码进入水厂监控系统。登录界面上设置的矩形框分别代表水源地基站、中心水厂及3个分水厂。单击矩形框进入对应监控界面，如要进入中心水厂监控界面，单击画面中的“中心水厂”矩形框跳转到中心水厂监控界面。矩形框中的蓝色部分高度表示各水池水位情况。

2.2 水源地监控

水源地7口机井负责将地下深层水抽取输送至水源地清水池，泵房内3台30 kW的变频泵（1台备用泵）从清水池内抽水加压后输送到19 km处的中心水厂。

主控室值班人员远程监控水源地基站运行状态，负责7口机井的开启/停止、变频泵频率的设定，维持清水池水位处于安全区间。清水池水位的安全区间为1.5 m～3.5 m，当水位值高于3.5 m或者低于1.5 m时，值班员停止或启动部分机井，以减少或增加进入水池的流量；同时通过改变变频泵的频率来增加或减小出池流量，维持清水池水位值恢复至安全区间。夏季用水高峰期7口机井24 h常开，用水淡季只需开启部分机井。冬季水源地清水池和泵房不需要工作，打开旁路电动阀，关闭主线电动阀，源水从机井抽取通过旁支管道直接送至中心水厂。

水源地监控界面上方设置“去井群”按钮，单击进入井群监控界面，如图3所示。界面上显示7口机井泵组电流、电压，水井水位及管道压力等参数。监控人员通过对每口机井的“开启”、“关闭”按钮远程控制机井的启停。

图3 井群监控界面Fig.3 Well group supervisory interface

使用STEP 7 MicroWIN编程软件编写PLC程序。图4为1号井PLC与STC-201数据采集程序中的部分梯形图，完成读取从站保持寄存器的数据功能。建议每一个读写功能（即MBUS_MSG）都用上一个MBUS_MSG指令的Done完成位来激活，以保证所有读写请求必须使用脉冲触发。RW位读写操作，0表示读，1表示写。注意：开关量输出和保持寄存器支持读和写功能；开关量输入和模拟量输入只支持读功能。Count通讯的数据个数，Modbus主站可读/写的最大数据量为 120个字 （是指每一个MBUS_MSG指令）。DazaPra为数据指针，如果是读指令，读回的数据放到这个数据区中；如果是写指令，要写出的数据放到这个数据区中。

图4 1号井数据采集部分程序图Fig.4 No.1 well data acquisition part of the program diagram

2.3 中心水厂监控

源水进入中心水厂处理后经管道进入 2个1000 m3的清水池，泵房中的3台变频泵（其中2号变频泵为备用工作泵）负责将清水池中的水加压供给3个分水厂。

主控室值班人员主要负责监控2个清水池水位，变频泵的启停状态、工作电流和分水厂管道流量计的数值等。清水池4 m深，监控系统在水位高于3.5 m或低于1.5 m时报警，值班人员接到报警提示后，手动改变中心水厂变频泵频率，增大或减小自来水出厂流量。同时改变水源地变频泵频率，改变进厂源水流量，使中心水厂清水池水位恢复到安全区间范围。监控界面上显示当前清水池液位值、泵组电流、电压值等参数，并在“历史曲线”中实时显示数据动态曲线[5]。

2.4 分水厂监控

自来水从中心水厂出厂分流供给3个分水厂，如图5所示。每个分水厂设置有2个1000 m3的清水池。值班人员远程监控各分水厂水池水位，通过控制中心水厂出水量和分水厂电磁阀的启停状态，控制水池水位处于安全区间。

3 结语

本文根据组态软件KingView开发周期短、系统配置灵活及可靠易操作等优点，开发了莫索湾水厂自动监控系统上位机软件。监控界面简洁，清晰。运行结果表明，有效地降低了工作人员劳动强度，提高了水厂供水的可靠性和经济效益。

图5 分水厂监控界面Fig.5 Waterworks monitoring interface

[1] 贺代春.基于RS-485的自来水厂监控系统设计[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2010，12（1）：137-139.

[2] 赵兰，骆传洋.基于组态王的智能仪表液位控制系统的设计与实现[J].盐城工学院学报：自然科学版，2007，20（4）：24-27.

[3] 王伟星.自来水厂生产过程自动化的设计与实现[D].四川：电子科技大学，2012.

[4] 艾红，邓大伟，邝野.远程数据采集与监测系统研究[J].自动化仪表，2012，33（8）：31-33.

[5] 徐亚峰，刘焕强，顾晓峰，等.基于ZigBee和GPRS的远程水质监测系统的设计和实现[J].江苏农业科学，2013，41（3）：328-331.