基于MCGS的水井水泵自动监控系统

2015-01-15王小娟

化工自动化及仪表 2015年8期

胡兵王小娟袁勇

(新疆工程学院，乌鲁木齐 830011)

新疆某县第二水厂是为保障该县新建城区供水的重点工程，建设规模较大，占地面积17 515m2，新建2 000m3清水池1座，水源井2眼，新建管网5km，管径DN300～400mm。为了节约成本，供水系统采用成熟的恒压供水变频装置，采用北京某公司的MCGS作为开发平台，对管道压力、清水池水位和水井水泵的控制进行二次开发，建立了水厂自动监控管理系统，解决了多年来一直不能动态监控工艺流程和设备安全运行的诸多问题。

1 系统控制要求①

为了节约人力成本，实现自动监控与管理，要求在中控室内能够实现自动控制，控制要求如下：

a. 要求手动、自动控制两台水井水泵的启、停，水泵采用星-三角控制。

b. 要求当清水池水位低于水位下限时，启动两台水井水泵，当清水池水位高于水位上限时，停止两台水泵，且清水池水位上、下限值可根据实际工况修改。

c. 要求上位机能够实时监控水井水泵的运行状况，监控泵房中4个水泵的压力、电流、工频和变频运行情况。

d. 上位机根据要求自动生成和打印以上参数的报表信息，供统计和分析使用。

2 系统组成

系统主要由山特UPS电源、研华工控机、S7-200 PLC(CPU226)、模拟量扩展模块EM231、百特工控压力变送器(0～1MPa)、投入式液位变送器(0～5m)和电量变送器构成，变送器与PLC之间通过0.75mm2的RVVP电缆连接，S7-200 PLC与上位机之间采用PC/PPI电缆连接。

工控机上安装有MCGS组态软件，组态软件中设置有手动/自动选择开关，对S7-200PLC发送自动和手动命令，水井水泵和泵房水泵的启停通过S7-200PLC数字量输入端口采集，并实时显示在上位机的MCGS界面上，清水池水位、泵房水管压力通过S7-200PLC的模拟量模块采集，并实时显示在上位机的MCGS界面中。笔者构建的水厂自动化监控系统结构如图1所示。

图1 水厂自动化监控系统结构框图

3 系统软件设计方案

3.1 S7-200 PLC程序

水井水泵自动化监控系统设计中，采用MCGS为上位机监控软件，PLC既是I/O接口，也是控制器，系统的控制任务由PLC来完成，通过分析被控对象的控制要求，所确定系统的主要I/O分配见表1。

表1 PLC 程序主要I/O点分配

由于负荷用水量随着用户的变化而变化，造成清水池的水位随之改变，要保持清水池水位在3～5m，可采用闭环控制随时检测水位变化并实时调整进水量。对泵的实际操作不当，会导致水泵进口流速和压力分布不均匀[1,2]。由于控制范围很宽，控制精度要求不高，可以采用带中间区的位式控制算法[3,4]，即当清水池水位高于水位上限或低于水位下限时，控制器动作；当清水池水位在水位上、下限之间时，控制器保持原状态不变。

系统采用微阻缓闭止回阀，可以有效防止水锤效应，结合控制要求和算法分析，确定控制系统的软件流程如图2所示。

根据软件流程在STEP 7-MicroWIN中编制主程序和子程序，并完成程序的调试。

3.2 MCGS监控界面

MCGS是一种基于Microsoft(各种32位Windows平台上)运行的组态软件，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线及报表输出等多种方式反映给操作人员。MCGS用户应用系统由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略5个部分构成，其中主控窗口主要完成系统菜单的制作，系统参数、启动参数的制作，设备窗口主要用于连接驱动外部设备，用户窗口主要完成动画的制作、数据对象的连接，实时数据库主要完成数据对象的建立与设置，运行策略主要完成启动、循环及退出等策略。

3.2.1用户窗口组态

图2 控制系统的软件流程

水井水泵自动化监控系统由2台水井水泵、4台压力泵和2座清水池组成，用户窗口中新建3个窗口，分别为主监控窗口、电机运行参数窗口和曲线、报表、报警窗口，并设主监控窗口为启动窗口，在主监控窗口中显示水井水泵的启停状况、压力泵变频/工频运行状况和各个管道压力、流量状况，监控清水池液位变化，并设置手动/自动切换开关，设置水位上限、水位下限按钮，做到在监控界面上就可以根据实际情况修改水位上限和下限参数，在电机运行参数窗口显示电机运行电流、电压状况，在曲线、报表、报警窗口显示电机电流、电压和管道压力、清水池水位的实时报表和历史报表，供操作管理人员调用、打印。通过对系统安全机制的设置，对界面控制按钮设置了权限，只有具有操作权限的人才可以发出控制命令，修改控制参数。

3.2.2实时数据库与动画连接

实时数据库是MCGS数据交换的核心，主要完成系统数据对象的建立，所建的部分数据对象及与PLC连接的关系见表2。

表2 部分数据对象定义

将以上数据对象与监控界面中对应的元件相连，设置属性，完成动画连接。

3.2.3PLC设备连接

设备窗口是MCGS与外部硬件连接的桥梁，在MCGS组态的设备窗口中打开工具箱，用鼠标按顺序先后双击“通用串口父设备”和“西门子-S7200PPI”添加至组态画面。在通用串口父设备中设置最小采样周期为100，串口端口号根据实际串口号选择，通信波特率根据PLC的通信波特率进行设置，数据校验方式为偶校验，在“西门子-S7200PPI”的“基本属性”中，根据具体PLC地址设置“设备地址”，默认地址为2，在“西门子-S7200PPI”的“通道连接”中连接表2中所定义的数据对象，设置完毕后，在“西门子-S7200PPI”的“设备调试”栏中进行设备调试，如“通信状态”标志栏显示为0，即表示设备通信成功，任何非零的数为通信不成功，需要检查串口、PLC地址、通信波特率及奇偶校验位等设置，直至通信成功[5,6]。

3.2.4系统运行

系统运行时，可通过手动/自动选择开关选择控制方式，当选择手动控制方式时，只能用现场手动启停开关控制水井水泵的启停，当选择自动控制方式时，系统可根据清水池水位上、下限的设定值自动启停水井水泵，且水位上、下限值可根据要求修改。系统可实时显示清水池水位变化，显示管道出水口的压力和电机的各项参数，根据需要系统也可自动生成各种报表，如日报表、周报表、月报表及年报表等，并可打印报表，供分析使用。由于控制精度要求不高，采用了带有中间区的位式控制算法，中间区是被控参数波动的范围，自动运行时，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，否则会造成水井水泵电机启停过于频繁。