1、摘 要： 利用工业组态软件强大的人机界面功能和灵活实用的网络功能，结合工业以太网技术在组网中方便可靠的特性，设计了一个自来水厂的自动监测系统。关键词： 组态软件 工业以太网 可编程序控制器 局域网自动化技术广泛深入自来水行业是近年来水厂工艺发展最显著的特点。伴随着水厂自动化技术、系统控制设备和机电仪表的发展,滤池自动化、加药智能化、泵站自动化、水质检测自动化逐步成熟,水厂自动化在国内已具备较好的技术环境。本设计采用先进的 PLC + PC 结构的集散控制系统，使用标准工业组态软件构筑上位机系统，并运用目前最先进的工业以太网技术来组成网络。此种结构的控制系统经济、实用，很适合南方一些中小型自来水
2、厂的自动化系统的建设和改造，并且稳定性好、扩展性强、操作简便，有很好的发展前景。1 系统总体设计本设计以太湖之滨某镇级自来水厂的自动化改造为对象，目前日供水量为 4 万吨级，水厂厂区呈长方形，制水设备分布比较分散，在厂区外还设有增压泵站和多个测压点。所以在系统设计过程中，应该注意数据采集地点的合理选取，做到既能缩短各类变送器同数据采集站点的距离，减少干扰，又能尽量减少数据采集站点的数量，在数据传输过程中应充分引入抗干扰措施。同时要求有良好的人机交互界面，数据的显示与保存有很好的完整性和实时性，此外，还应考虑系统便于拓展、易于实现，能为以后水厂发展和系统扩建打好基础。设计的系统结构如图 1 所示
3、。上位机使用 PC 机自带的网卡，下位机数据采集站使用与Quantum 系列 PLC 配套的工业以太网模块。此工控局域网为积木式揉性结构，便于网络延伸和拓展。在办公楼安置一台工业交换机作为交换节点。另外根据要采集的数据的类型和多少来确定每个 PLC 数据采集站点需要的 I/O 模块，原则是既要满足当前系统的需要，又要为将来可能的系统扩展留下余地。将全厂要采集的数据集中到三个数据采集站点：位于加药间的 1#PLC 为一号数据采集站点，负责采集加药间、消毒间、进水口以及厂区外的一个增压泵站和三个测压站的数据；位于消毒间附近的 2#PLC 为二号数据采集站点，负责采集平流沉淀池、滤池以及排污池的数据
4、；位于二泵房的 3#PLC 为三号数据采集站点，负责采集二泵房、配电房的数据和出厂水的水质参数。这些数据被采集到 PLC 站点后，经过一定的滤波处理通过网络传到位于加药间的作为数据服务器的 PC 机上，这台安装有工业组态软件的 PC 机是 24 小时连续运行的，除了能实时显示水厂数据外，最重要的功能是将采集来的数据和报警信息等进行存储，形成数据库。位于水厂办公楼的其他多台安装组态软件的 PC 机作为系统中的客户端，也运行上述组态软件，既可以实时查看水厂全部生产数据，也可以查看服务器上的历史数据，以指挥生产和调度。2 下位机的设计下位机数据采集站点使用 Quantum 系列 PLC，在多台 PC
5、 机和三台 PLC 数据采集站点之间使用光纤工业以太网来进行数据的传输，具有较高的传输速度及较好的可靠性和实时性，它比一般的 DCS 系统更容易实现和扩展；比现场总线技术有更好的传输速率，而且利用普通 PC 机的网卡，降低了成本。本系统中要采集的数据量比较多，在数字量方面，主要监控水厂中各类电机、抽水泵（如进/出水水泵、加药间提升泵、计量泵）和各类阀门的运行状态等，在获取这些数字量时，适当进行信号隔离；在模拟量方面，使用优质探头式液位变送器监测平流沉淀池、清水池、滤池等的液位，使用超声波液位计监测原药池等具有腐蚀性液体的液位，在对水质参数如余氯值、水浊度等监测时，使用具有网络通讯功能的智能水质
6、监测仪表。各类变送器和水质仪表的输出信号为 4mA20mA 的电流信号，它直接通过屏蔽电缆进入最近的 PLC 数据采集站，并通过 PLC 程序的软件滤波技术进行滤波，获得精确可靠的数值上传到服务器中显示和保存。在传输介质方面，由于服务器所在的加药间距离办公楼和二泵房等站点较远，双绞网线的传输距离无法达到；且厂区开阔,夏季多有雷雨，为此使用衰减小、抗干扰性强的光纤来进行传输，这样数据就有了一个高速、可靠的传输通道。由于厂区外的增压泵站和多个测压站距离水厂较远，所以选用数传电台进行无线传输，将传来的数据传入 1#PLC 数据采集站点，由此并入工业以太网系统。以数传电台为基础的无线传输系统的结构如图
7、 2 所示。在厂外增压泵站和测压站的现场使用施奈德的 Twido 系列 PLC 进行数据采集，然后通过 RS485 总线将数据经由数传电台传出去。位于厂区内的数传电台作为主站，主要负责接收厂区外的几个数传电台的数据，它采用轮询方式与几个作为从站的数传电台进行通讯，取得所需要的数据，再经由 485 总线将数据导入Quantum PLC 并进入到工业以太网当中。3 上位机的设计上位机的主要工作是创建良好的人机界面，实现数据的显示、存储和传输等功能，并要求有一定的组网功能。目前最流行的人机界面产品就是标准工业组态软件。工业组态软件是一种集数据采集与过程控制为一体的专用软件，它能支持各种工控设备和常见
8、的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。目前国内广泛使用的工业组态软件有以INTOUCH、IFIX 为代表的进口高端产品和以 MCGS 力控软件和组态王为代表的在国内工控界比较有影响的民族品牌。国产组态软件同样提供了资源管理器式的操作主界面，具有丰富的图形、图表功能和很强的网络功能，由于具有卓越的性能，也被国外的厂商所采用。标准组态软件的网络结构通常是一种柔性结构，用户可以根据系统需要设立专门的 I/O 服务器、历史数据服务器、报警服务器、登录服务器和 WEB 服务器等。它完全基于网络的概念，是一种真正的客户/服务器模式，支持分布式历史数据库和分布式报警系统，可运行在基于 TCP/
9、IP 网络协议的网上，使用户能够实现上、下位机互连以及更高层次的厂级连网。本设计上位机中的网络结构如图 3 所示。图中服务器是位于加药间的 PC 机，加载组态软件。它充当整个网络的 I/O 服务器、报警服务器、历史数据服务器和登录服务器等多种服务器，此 PC 机用来存储自来水厂所有的数据。客户端是指位于办公楼的其他若干台 PC 机，同样加载组态软件，用来观察全厂的实时数据和查询服务器上的数据。通过组态软件的网络设置，从三个 PLC 数据采集站点上采集到的数据都将被传输到服务器上供存储、调用或查询。为了保证数据的完整性，采用两种途径来保存数据：(1)利用组态软件提供的历史数据保存功能，可以将数据
10、以 REC 的格式存储起来，它可供组态软件内嵌的报表进行调用和显示。(2)利用组态软件的 ODBC 功能，通过组态软件的模板和记录体功能将数据以设定的时间间隔传入ACCESS 数据库文件中，并可分门别类地生成各式日报表、月报表、年报表等，并可利用 ACCESS 数据库的功能建立查询功能。这两种数据保存方式可以并行运行，互为备份，特别是通过第二种方式可以建立一个完整的水厂数据库，为未来水厂管理系统的升级提供很好的基础。在上位机画面的制作过程当中，充分利用了组态软件本身提供的各种功能，做到美观、简洁、实用。作为示例，图 4 为其中一个加药间的画面。从图 4 可以清晰地观察到模拟量数据的实时变化，并
11、伴有动态显示。数字量数据如提升泵、计量泵的运行状态由泵身的颜色变化来显示。另外管道里的水流情况也可以动态显示，例如 1#提升泵运行，则相应的水管里会出现药液的流动情况。系统中对个别的数据或画面采取了保护措施，在系统中设置两级管理员模式，对它们设置不同的管理权限，只有最高级别的管理员才可以查看这些重要的数据或画面，管理员可以通过画面右下方的按钮进行登陆或者退出，管理员的密码也可以进行设置和更改，充分保证了数据的安全性。该系统的另外一个特点就是可以实时监测全厂设备的运行情况。如果设备出现故障，不但画面上设备本身会变成黄色并且闪动，而且画面上方的报警灯也会闪烁，之后还会有一黄色条幅出现，告诉值班人员
12、出现故障的设备，并且开始播放报警音乐，同时这些故障的数据也会存入到专门的 ACCESS 数据库中，供其他人员查阅。系统中还加入了历史数据的查询功能，它通过表格和曲线图两种方式实现。系统不但能实时显示当日从 0 时以来的所有数据，还可以根据需要查询系统运行以来任何一天的数据并自动生成日报表，供工作人员查阅、打印。 自系统投入使用以来，各数据采集站点的设备均运行正常，上位机二次开发的应用软件以其美观、清晰、直观的操作界面受到用户的好评。数据的采集、传输和保存有很好的完整性。提高了水厂的自动化和信息化水平，大大减轻了水厂工人的劳动强度。本设计充分满足了用户水厂的监控要求，搭建了很好的自动化监控平台；
13、该系统中应用的组态软件和工业以太网技术从根本上提升了自动控制系统的性能，而且表现出更好的传输效率和可靠性；以其积木式柔性结构的网络特点为集散控制系统在水厂自动化改造中的成功应用提供了范例，也可以作为一种通用的技术推广到电力、石化、钢铁等行业中去。参考文献1 施奈德电气公司. Quantum 用户手册.2 余晔，王仲东，黄剑. RS485 总线在微机监控系统中的应用J. 武汉理工大学学报, 2003,25(1):69-72.3 冯冬琴，金建祥，诸健. “工业以太网及其应用”技术讲座J.自动化仪表, 2003,24(5):67-70.4 邱伟民.基于工业以太网的自控系统应用.有色冶金设计与研究, 2005,26(1):62-65.
