基于总线网络的电厂水源调度控制系统设计

李珊珊 刘 魁

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

基于总线网络的电厂水源调度控制系统设计

李珊珊 刘 魁

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

根据电厂对附近水源井合理自动调度监控的要求，设计了一套基于PLC与CAN总线通讯的水源井自动调度监控系统。详细介绍了设计的硬件组成和软件设计。本系统集远程控制、远程监控管理于一体，具有通信速度快、实时性好、可靠性高、便于扩展等优势，极大的满足了电厂对水源井自动控制要求。

可编程逻辑控制；CAN；上位机；组态王

热电厂是支持城市稳定发展的基础。面临城市建设规模的不断扩大，对热电厂的发电量提出了新的要求，由此对热电厂附近的供水源能否进行合理快速的调度要求越来越高。然而大多电厂设备陈旧，自动化程度低，热电厂与供水源之间的通信设施老化，往往不能进行实时准确的相互通信，不能完全了解各个水源地的供水情况，容易造成对水源的调度满足不了需求或超出需求。面对以上问题，热电厂应提高自动化程度，实现供水系统的自动化与实时监控管理。

根据以上要求，设计了一套工业计算机作为上位机实现对热电厂附近水源井实时控制与监测的自动监控系统。可编程逻辑控制器（PLC）由于其良好的控制特性、高靠性、编程简单等优势，已广泛应用于各工业控制领域，实现数据的采集和设备控制。为建立良好的人机界面，可选用组态王软件设计水源井的监控界面，实现对水源井的远程启停控制、流量、水位、水压及电气信息的监控。由于电厂或水源井附近地形复杂，且两者距离比较远，很多研究都选用无线通信作为通信方式[2]，但无线通信方式很容易造成信息传递延迟或丢包现象，我们选用一种有线通信方式完成通信。CAN（Controller Area Network）网络是现场总线技术之一[1]，是具有架构开放、广播式的新一代网络通信协议，由于其可以有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，且通信距离可达10km，可进行点对点、一点对多点及全局广播式传送和接受数据，在发送数据上不分主从，采用非破坏性总线仲裁技术等优势越来越受到工业领域的青睐。所以我们选用CAN总线通讯网络达到热电厂对水源井实时监控与自动调度的要求。

1 系统结构

热电厂水源井调度控制系统包括 1个系统主站，负责对热电厂附近的所有水源井进行实时监控调度，监控中心安装在电厂化水车间内，采用台湾研华公司出产的 IPC-610/P42.0G/80G工控机作为整个系统的控制计算机。热电厂主站与水源井子站之间的通信通过CAN网络实现，该网络不但可以实现主站与子站之间的通信，子站与子站之间也可以相互通信，大大提高了系统各部分之间的通信可靠性。通过CAN网络，热电厂主站可以对各个水源井子站的运行实时监控、发送各种调度指令。电厂主站的监控平台是基于Window XP操作系统，利用专业稳定可靠的工控组态软件设计的。

每个水源井作为系统子站分别进行相同的设计，本设计利用西门子S7-200作为水源井的核心控制器，通过CAN智能适配卡，电厂主站向各水源井站子站发送命令，子站通过CAN隔离收发器与CAN控制器控制接受指令，控制软启动的运行，水泵工作，并且S7-200控制相应的检测器件与传感器采集水源井的水位、流量大小、出水压力及电气参数等，将以上信息通过 CAN总线网络传送到主站进行实时显示。

系统结构图如图1所示。

图1 水源井自动调度控制系统结构图

2 主要硬件配置设计

2.1 工控机

上位机采用台湾研华公司出产的 IPC610工控机，该工控机内部 CPU为奔腾 P4/2.0G，内存为512M，硬盘位 80G，配有 19寸液晶显示器、UPS电源、打印机，软件安装kingview6.5组态王。IPC-610实时性好、扩展性强、兼容性广、可靠性高。作为控制系统的主站可很好的将指令或数据传输到各水源井子站。利用组态王软件，完整的设计了一套实现远程启停控制、参数设置及实时显示、报警、历史数据查询、报表功能、数据存档、用户管理等功能的人机界面。

2.2 可编程逻辑控制器（PLC）

可编程逻辑控制器由于可靠性高，在工业环境中抗干扰能力强，普遍应用在各领域中，而且PLC的控制能力极强，兼有算术、逻辑运算、定时、技术、PID运算、过程控制、通讯等功能，均可以通过指令形式完成。PLC内部微处理器模块通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接各存储器、外部接口和 I/O接口，通过指令控制个 I/O端口的电平高低，控制外部设备运行，大大减少大量的硬件电路设计。

因此本设计选用西门子公司生产的s7-200系列CPU 224作为主控制器，它具有14/10个I/O端口，可以扩展7个模块，具有RS485通讯接口，拥有PPI、MPI和自由口通讯能力。设计中通过RS485转CAN转换器将PLC与CAN控制器连接，实现PLC与主站之间的通信，接收来自电厂的启停命令和将采集的信息传送给电厂水源井调度总控制室进行实时显示功能。

2.3 CAN总线通信网络

控制器局域网（CAN）由于通信速率快、实时性高、开放性好、通信距离远及控制简单等优点，近几年已应用在众多工业领域，是公认的最有前途的现场总线之一。CAN每条总线上可挂接110个节点，及大的提高了对未来新的水源井扩展性，并且CAN网络不但可以实现主站与从站之间的通信，而且从站之间也可以互相通信。所以本设计采用CAN总线构成系统的通信网络。通信网络主要需三个模块：CAN适配卡、CAN控制器与CAN隔离收发器。

在通信过程中，监控主机相当于一个节点挂接在CAN总线上，CAN适配卡用于将CAN总线与工控机相连，来收集CAN总线上各水源井节点传送过来的水位、出水压力、电气参数等信息，转发给工控机，同时，可将工控机的指令和数据发送给各节点，控制水源井水泵启停。

CAN控制器是为解决控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，本设计选用典型的Philips生产的独立CAN总线控制器SJA1000，其支持基本CAN工作模式和增强CAN工作模式，分别支持11bit和29bit报文描述符。PLC可通过对SJA1000的内部寄存器读写访问控制SJA1000和收发信息。

电厂主站与水源井从站之间可能距离比较远，两者通信模块之间的大地电平可能出现比较大的电压差，从而影响正常通信的运行，设计中增加了CAN隔离收发器来解决上述问题。选用 CTM1050接口芯片来消除电压差，其隔离电压可达到DC2500V，且接口简单，使用方便，不需要外接其他元件，直接连接，接收、发送引脚直接与CAN控制器的接收、发送引脚相连即可。

CAN总线结构如图2所示。图中电阻为120Ω。

3 软件设计

3.1 上位机监控软件设计

监控软件的设计利用组态王软件完成，该软件是专为工业过程控制与现场实时监控开发的一套监控系统软件。设计选用组态王 Kingview6.5版本进行监控平台开发，该版本组态王支持西门子S7-200系列PLC。监控平台设计包括对所有水源井的启停控制，观测热电厂瞬时水源需求量和总用水量，每个水源井的水位图、流量图、出水压力等动态实时变化信息，而且还可以进行操作日志、历史数据查询、故障报警等功能操作。监测数据全部是由PLC通过现场采集通过CAN总线上传给PC上，监控主机实时动态显示出各水源井的参数变化，实现对水源井的合理自动调度控制。

本设计人机界面监控软件功能框图如图3所示。

图3 人机界面监控软件功能框图

3.2 PLC软件设计

西门子 S7-200系列可编程逻辑控制器利用STEP7-Micro/WIN V4.0SP3编程软件进行程序编写，该软件集成了语句表（ST）语言、梯形图（LAD）语言、功能块图（FWD）语言，应用灵活，因梯形图语言编写方便、直观易懂，所以是PLC程序设计中使用最多的一种语言。为了方便工厂电工作人员能够掌握系统设计，本设计采用梯形图（LAD）语言进行程序设计，并将编程好的程序通过 PC/PPI电缆从笔记本下载到S7-200PLC的CPU中，经过调试与实际测试，完成对水源井水泵的启停控制、水位、出水压、流量、电气信息等数据的采集。

PLC控制程序流程图如图4所示。

4 结论

本设计利用西门子 S7-200可编程逻辑控制器与上位机监控平台，同时融合了通信速度快、稳定的CAN总线网络，解决了数据远距离传输的困难，实现了热电厂对附近水源井水源调度自动化与实时远程监控的要求。通过某热电厂投产使用一段时间分析观察，系统运行效果良好，热电厂能够有效的对水源井进行远程启停控制，而且上位机监控系统界面可以实时准确反应水源井的主要参数（如水位、出水管压力、流量、电气参数等）变化过程，同时上位机监控系统提供的操作日志、历史数据查询等功能运行正常，系统设计极大的提高了热电厂对水源井的调度控制能力与效率，节省了人力，总体上形成了测、控、管一体化的热电厂水源调度自动化。

[1] 朱星，周建斌，庄景齐，等. 基于CAN总线的PLC与组态王通信的实现[J]. 中国测试, 2009, 35(4).

[2] 靳雷，包群山. 基于PLC和GPRS无线通信的水厂监控系统设计[J]. 低压电器, 2009(9).

[3] 梁波，吴峰. 基于PLC的水厂供水监控系统设计[J].辽宁工业大学学报. 2012, 32(6): 354-356.

[4] 戴润梁，张和平. 基于CAN总线的智能PLC控制器的设计[J]. 武汉理工大学学报, 2001, 23(3): 13-15.

[5] 毕翔，张建军，王跃飞. 基于CAN总线的PLC-PC控制系统研究[J]. 合肥工业大学学报, 2005, 28(6):599-602.

[6] 高正中. 西门子 S7-200CN PLC编程技术及工程应用[M]. 电子工业出版社, 2010.

The Design of Power Plant Wellsping Control System Based on Industrial Ethernet

Li Shanshan Liu Kui
(Shandong University of science and Technology, Qingdao，Shangdong 266510)

This paper described a design of power plant wellspring control system that was based on S7-200PLC controller and CAN BUS communication network, introduced the structure and the soft hardware design of the system. This system sets of remote control, remote monitoring and management in one, with high communication speed, good real-time performance, high reliability, extend the advantages easily, great to meet the power requirements of automatic control of power plant wellspring greatly.

PLC; CAN; PC; Kingview

李珊珊（1980-），山东莱芜人，山东科技大学硕士研究生，计算机应用专业。