基于组态软件的水网数据采集系统设计

张燕妮，蔡丽萍，赵凤英

（青岛城市学院，山东 青岛 266000）

目前城市供水压力越来越大，水资源不足，水环境越来越恶劣，而且水资源管理技术不合理、效果不理想，区域供水都是由市政管网经过二次加压和水塔、高位水池等设施来实现。但是，不同时段用户用水量也不同，所以存在供水与用水不平衡的现象，更多表现为供水压力的变化。供水量比用水量少，压力就会较低，反之供水压力就会较高。本设计采用根据实际压力进行水泵运行状态的切换运行和压力稳定时3台水泵循环运行的方式，使得在同一时刻1台变频器只控制1台水泵的变频，可大幅度减少自动供水系统的建设成本。

1 系统组成

该套系统由1个液位传感器、组态控制画板、3台水泵、1个压力传感器、1台变频器以及PLC构成。结构如图1所示。

图1 水网数据采集系统结构

在3台水泵中，各台泵的出水管均设置有手动阀，对水量进行调节及维修，3台泵协调运行以保障供水需求。首先，PLC程序控制变频器起动，以预先设定好的压力设定值与压力传感器在供水管道中测量的压力实际值进行比较，用两者的偏差信号调控PID的同时把所设定的信号传输至变频器。再根据所设置的加速时间、频率给定信号，变频器对水泵的转速施加控制，以使水压的波动保持在压力的上下限内，实现恒压。同时，运行频率达到上限后，变频器会向PLC传送频率到达信号，而PLC程序会结合以上信号判断第2台泵（或者第3台泵）启动与否。如果变频器运行频率达到上限后，并在一定时间内保持，那么PLC会切换泵的运行状态由变频为工频，并迅速起动下一台泵。PID在此时仍旧会分析压力传感器传输的信号并计算，对变频器的运行频率进行控制，使管压的变化保持在压力设定值的上下限内。

2 系统硬件选型

西门子S7-300的CPU型号非常丰富，各型号对应的相关参数、技术标准都有一定的差异。而CPU指标技术涵盖了计算速度、编程资源、存储量、通信资源等方面，通常CPU模块包含DC24Ⅴ连接器、MPI、状态和故障指示装置、RS-485编程接口、后备电池、模式选择开关。部分型号CPU还配置了存储卡、PROFIBUSDP（现场总线接口）等。

本设计中的自动供水系统程序量中等，所占用存储空间不大。供水系统的工作不是高精度工作，所需要的通信资源和编程资源不多。但本设计需要和工作现场通过现场总线进行连接，所以需要PROFIBUSDP（现场总线接口）。

综合以上需求，本设计最终选择S7-300CPU的型号为CPU 315-2DP。CPU 315-2DP基本指标：48 KB工作内存，0.3 ms/1 000条指令，MPI+DP连接，多排最多可组态32个模块。适用于中或高程序量、联网、有PROFIBUSDP分布式结构要求的设备[1]。

变频器主要通过电力半导体器件转换工频电源，得到其他频率的电能控制设备，可实现众多功能，如改变功率因素、交流异步电机的软起动、过流/过压/过载保护、变频调速、提高运转精度等。

选择变频器时需结合生产机械的静态速度精度、类型、起动转矩、调速范围等，选出契合度最高的变频器。契合度最高，也就是经济、好用，且可满足生产与工艺的基本要求。

采用MciorMaster430系列变频器，型号为6SE6430-2UD27-5CA0。MicroMaster430系列变频器特别适合用于水泵和风机的驱动，功率为7.5～250 kW。该变频器灵活性与可靠性高，能够实现旁路功能、多泵切换、节能运行、手动/自动切换、断带及缺水检测等功能。

本设计选用MciorMaster430系列，型号为6SE6430-2UD37-5FB0的变频器，此变频器使用的是微处理器，功率输出器件使用的是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），功能多样，运行可靠性较高。变频器的脉冲宽度调制可以选择开关频率的，所以电动机具有更低的运行噪声。加之保护功能完善、全面，使电动机与变频器被较好保护。

循环水供水总管出口压力测量范围为0～1 MPa，循环水回水总管出口压力测量范围为0～1 MPa，消防水池液位测量范围为0%～100%。

3 系统的监控方案

3.1 上位机的选择

上位机选用研华工控机，可适应工业现场的恶劣环境，可长时间不间断运行。

用研华公司的工控机代替普通PC机后，系统的抗干扰性、稳定性、不间断性得到大大提高。采用的研华工控机具有以下特点：采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击能力；机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽；机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。操作系统为WindowsXP。

3.2 模块的选择

模块选用ADAM-4000系列模块，该系列产品是通用传感器到计算机的小型接口单元。该系列产品具有内置的微处理器、坚固的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和RS-485通讯等功能[2]。

3.2.1 通讯模块的选择

通讯模块为研华模块ADAM-4520和RS232转RS485模块。

3.2.2 采集模块的选择

数据采集模块为研华模块ADAM-4117/8路模拟量输入模块（电压和电流均可）、ADAM-4015/6路热电阻输入模块（PT100信号）和ADAM-4024/4路模拟量输出模块。

3.2.3 控制模块的选择

数据采集控制器为研华模块ADAM-4055/16路隔离数字量输入模块和ADAM-4168/8路继电器。

3.3 监控中心

为了集中监视和管理企业消防管网的数据，在上位机安装了组态王软件，完成对整个消防系统的监控，组态王软件画面友好，通用性好，可以实现消防水池储水液位、管道进水压力、管道出水口压力、报警信息等功能，实现消防系统的自动监控和集中管理功能。其监控面面如图2所示。

图2 系统结构示意图

数据报表一方面可以及时显示整个生产流程的生产状况，另一方面可以长时间对生产流程的参数进行整合、对比，让操作人员及时了解和对比生产数据。

数据查询：ReportSetHistData2(2，1)。

报表清除：ReportSetCellString2("Report2"，2，1，100，30，"")。

本设计为自动供水上位机系统设计了实时曲线画面，如图3所示，可以使操作人员通过曲线的实时变化直观监控系统中的管网压力和水池水位。

图3 趋势曲线

4 实现的控制任务

4.1 实时数据采集显示和控制

运用数据采集模块实时采集现场温度、压力、流量、液位等检测点及设备启停等控制点。上位机安装组态王组态软件系统，建立模拟现场实际系统的画面，接收下位机的实时数据信息，并直观显示在显示界面中供操作人员查看。用数据采集控制器对相应的数字量进行控制。

4.2 手动/自动功能

手动功能：由操作员控制阀门的开关，测试阀门是否正常，系统调试运行的时候也用手动功能生产。

自动功能：阀门开关、状态切换按照规定的时序自动运行，处于正常生产状态。

4.3 参数设置

本系统可以对生产水泵的停泵连锁液位值进行设定。通过双击画面中相应的文本处进行模拟值输入，然后将设定的参数下发到数据采集控制器来控制系统工作。

4.4 液位连锁控制功能

采集到的液位数据除了实时显示以外，系统还根据液位数据的大小对相应的水泵开关进行控制，以保证水池的液位处在正常水平。此系统的消防水池液位和生产水泵构成液位连锁控制，当消防水池的液位值小于设定值时，生产水泵就得停泵，以保证消防水池的液处于正常水平。

4.5 水泵连锁控制

本系统设置了高压消防水泵连锁控制和低压消防水泵连锁控制。当处于连锁控制状态，高压消防管网压力开关开启时，高压消防水泵a和高压消防水泵b为一开一闭状态；低压消防管网压力开关开启时，低压消防水泵a和低压消防水泵b也是一开一闭状态。

4.6 曲线绘制

根据采集到的实时数据，通过上位机中组态软件的历史记录窗口，可以绘制历史库中任意参数的实时曲线和历史曲线。

5 结束语

本自动控制系统的主要特点如下：设备实时监控控制；自动、手动切换控制运行；可生产出质量稳定的合格产品；操作容易，在上位机上完成全部操作。

该自动控制工艺与传统工艺相比具有自动化水平高、操作简单、产品稳定、容易维护的特性。此次研究对实际生产具有很高的指导作用，不仅可以提高企业的生产效率，而且会产生可观的经济效益。