基于PROFIBUSDP總線控制的G變頻器和SPLC在泵站恒壓供水控制新版系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘

要

】

提出并實現(xiàn)了一個以S7-300可編程邏輯控制器作為關(guān)鍵控制裝置，使用工業(yè)控制計算機經(jīng)過VisualBasic6和MSSQLServer數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)上位機畫面監(jiān)控和系統(tǒng)管理,以O(shè)PC作為軟硬件通訊接口，以Profibus-DP現(xiàn)場總線方法控制西門子G150變頻器在城市供水泵站中應(yīng)用。實現(xiàn)了調(diào)整城市管網(wǎng)供水壓力及節(jié)省能源和系統(tǒng)管理目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】

變頻恒壓供水；SINAMICSG150；PLC；OPC；VB6；DP現(xiàn)場總線

1．引言

經(jīng)伴隨城市建設(shè)規(guī)模不停擴大和生活水平提升，加上居住小區(qū)推行一戶一表供水以后，對市政管網(wǎng)供水可靠性（壓力、流量）要求越來越高，多種分散或集中加壓設(shè)施也逐步增多。在這些加壓設(shè)施中，采取調(diào)整水池加上變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）變量供水方法在穩(wěn)定城市管網(wǎng)壓力、節(jié)省能源、系統(tǒng)監(jiān)視管理方面已顯現(xiàn)出極大優(yōu)越性。

2．系統(tǒng)組成情況

2.1SINAMICSG150變頻器

源于西門子最新傳動家族SINAMICSG150高性能單機變頻調(diào)速柜適適用于全部單電機傳動應(yīng)用，滿足多個負(fù)載特征要求，包含平方轉(zhuǎn)距，線性轉(zhuǎn)距，恒轉(zhuǎn)距及恒功率負(fù)載類型.。采取緊湊高品質(zhì)威圖(RITTAL)柜式設(shè)計，節(jié)省占地面積30%~70%。柜內(nèi)強電保護，平靜運行(低于67dB)。使用全新主控制板CU320，智能化設(shè)計，采取CF軟件存放卡，提供光纜接口和ProfiBus接口，功效操作面板AOP30和功效強大軟件工具STARTER進(jìn)行選型，調(diào)試，節(jié)能計算。SINAMICSG150變頻器配合N-Compact電機很適適用于使用平方律扭矩特征驅(qū)動泵和風(fēng)機變頻器操作。

2.2可編程序控制器（PLC）

選擇西門子S7-300系列通用型PLC。該系列PLC能適合自動化工程中多種應(yīng)用場所，使用模塊化結(jié)構(gòu)，多種單獨模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴展。使用CPU313C-2DP為關(guān)鍵控制單元，該模塊帶MPI和ProfiBus-DP通信接口，配有MMC存放卡，免維護，集成了24DI/16DI數(shù)字量IO，再擴展一個8AI模擬輸入模塊用于管網(wǎng)壓力，流量，蓄水池水位及電機軸承溫度等模擬量檢測。

2.3工業(yè)控制計算機(IPC)系統(tǒng)

使用研華IPC610工控機，以MSWindows為系統(tǒng)平臺，配置CP5611用于ProfiBus-DP現(xiàn)場總線通信，SIMATICNET軟件配置OPCServer使用VB6開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控軟件，MSSQLServer為后臺數(shù)據(jù)庫管理平臺。使用SIMATICSETP7軟件進(jìn)行對系統(tǒng)組態(tài)和編程調(diào)試，使用STARTER軟件進(jìn)行對SINAMICSG150變頻器配置調(diào)試。

其它設(shè)備包含水泵電機、出口閥門、壓力傳感器、液位計及相關(guān)電氣控制設(shè)備等集成，進(jìn)行變頻調(diào)速全自動閉環(huán)控制管理監(jiān)視功效，其系統(tǒng)組成示意見圖1。

圖1系統(tǒng)組成

3．系統(tǒng)設(shè)計和實踐

3.1基礎(chǔ)控制原理

由壓力變送器測量管網(wǎng)壓力和流量信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號經(jīng)PLDA/D轉(zhuǎn)換，和設(shè)定值比較，進(jìn)行PID運算，經(jīng)過DP總線控制變頻器頻率，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速而達(dá)成恒壓及節(jié)能原理。圖示。

3.2變頻參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過STARTER軟件向?qū)гO(shè)置G150變頻器站地址，和波特率等參數(shù)，使之連接到DP總線上，成為S7-300PLC一個從站。配置連接電機類型、電流、功率等參數(shù)，配置變頻器命令源和主參數(shù)設(shè)定源為Profibus方法，選擇速度控制方法（Speedcontrol），定義ProfibusPZD數(shù)據(jù)格式，選擇使用水泵風(fēng)機負(fù)載類型。圖2所表示。

圖2變頻器設(shè)置向?qū)?/p>

圖3驅(qū)動原理

圖4斜坡功效發(fā)生器(RFG)

圖5速度設(shè)定邏輯

3.3下位機PLC程序開發(fā)

PLC本控制系統(tǒng)關(guān)鍵元件。設(shè)備服務(wù)器（IPC）和S7-300數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)了兩套冗余通訊方法：其一為IPC經(jīng)過自帶CP1613卡和PLC擴展模塊CP343-1經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)通訊；其二為IPC經(jīng)過自帶CP5611卡和PLCDP通訊口進(jìn)行S7、Profibus-DP等現(xiàn)場總線通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。用戶端PC能夠在試驗室局域網(wǎng)、校園網(wǎng)或Internet訪問遠(yuǎn)程試驗室網(wǎng)站并做試驗。因為用戶做試驗不受時間和地點限制，充足發(fā)揮了用戶主觀能動性，也讓有限試驗設(shè)備得到了更有效分時復(fù)用。

(2)WRECS軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2WRECS軟件結(jié)構(gòu)

為了讓遠(yuǎn)程試驗室能得到最大程度普及，必需提供一個方便用戶端程序、實現(xiàn)用戶端程序“零安裝”。所以采取B/S結(jié)構(gòu)，以用戶端瀏覽器作為通用用戶端程序，整個試驗系統(tǒng)組成利用了JavaApplet、JavaScript、JSP等交互式動態(tài)頁面技術(shù)。另外，數(shù)據(jù)存放和傳送采取XML和OPC接口技術(shù)。

遠(yuǎn)程試驗用戶依據(jù)用戶名和密碼登陸WRECS網(wǎng)站后，經(jīng)過JavaAppletSocket提交試驗參數(shù)（控制命令、控制器參數(shù)等）給試驗室服務(wù)器RLabServer。此時，JavaApplet會簡單判定用戶輸入信息（如數(shù)據(jù)類型）。假如輸入有誤，則立即提醒錯誤信息。RLabServer偵聽端口接收到試驗信息后，解析并提取試驗信息，經(jīng)過一定處理后（如判定是否已經(jīng)有用戶在做試驗、復(fù)雜控制算法實現(xiàn)、日志統(tǒng)計等），經(jīng)過OPC接口傳輸給PLC。PLC是關(guān)鍵控制器，負(fù)責(zé)簡單控制算法實現(xiàn)，并將控制對象信息經(jīng)OPC接口傳回給RLabServer。RLabServer除了能夠?qū)崟r和歷史試驗數(shù)據(jù)在當(dāng)?shù)仫@示之外，還能夠?qū)⑺鼈兎謩e以一定格式保留進(jìn)XML和文本文件內(nèi)。其中，XML文件保留實時數(shù)據(jù)，好讓用戶端取用并顯示；文本文件保留每次試驗歷史數(shù)據(jù)，好讓用戶下載數(shù)據(jù)并離線分析。用戶端瀏覽器JavaScript經(jīng)過定時讀取XML數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送給JavaApplet。最終JavaApplet以曲線和數(shù)據(jù)形式顯示試驗結(jié)果。其次，用戶能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬決定是否開啟視頻流監(jiān)控。

2.2控制器選擇和設(shè)計

遠(yuǎn)程試驗系統(tǒng)是一個讓遠(yuǎn)程用戶控制當(dāng)?shù)卦囼炘O(shè)備系統(tǒng)。這么一個系統(tǒng)就對控制器提出了穩(wěn)定、可靠、魯棒性好等要求。PLC（ProgrammableLogicController）是計算機最新技術(shù)和工業(yè)自動化經(jīng)典理論相結(jié)合產(chǎn)物，是一個自動化控制領(lǐng)域關(guān)鍵控制設(shè)備。它實現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域接線邏輯到存放邏輯飛躍，功效上有實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制進(jìn)步。它經(jīng)過光電隔離I/O接口模塊、R-C濾波輸入、屏蔽各個模塊、自診療、雙CPU冗余等手段基礎(chǔ)上滿足了遠(yuǎn)程試驗系統(tǒng)提出要求?，F(xiàn)在，PLC產(chǎn)品已在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學(xué)/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)廣泛應(yīng)用。WRECS控制器選擇了西門子S-300PLC作為控制器。

2.3通訊網(wǎng)絡(luò)選擇和設(shè)計

PLC發(fā)展除了功效越來越多、集成度越來越高外，網(wǎng)絡(luò)功效也越來越強。選擇好控制器以后，選擇數(shù)據(jù)傳輸方法——通訊網(wǎng)絡(luò)也是很關(guān)鍵。從結(jié)構(gòu)上看，PLC網(wǎng)絡(luò)能夠分為兩種，一個在PLC模塊上做了一個通信輸出口，能夠直接和計算機聯(lián)接實現(xiàn)點對點通信（RS232）；另一個是經(jīng)過多點聯(lián)接（RS485），這適適用于多層PLC。這方面，西門子產(chǎn)品含有代表性。西門子依據(jù)不一樣自動化水平要求(工廠級,單元級,現(xiàn)場和傳感器/實施器級),提供了網(wǎng)絡(luò)處理方案，包含多點接口(MPI)、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)、ProfiNet(基于工業(yè)以太網(wǎng))、點對點連接(PtP)、實施器/傳感器接口(ASI)?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)是一個發(fā)展趨勢，一個好網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠大大降低成本。

2.4用戶端試驗平臺設(shè)計

WRECS系統(tǒng)網(wǎng)站是遵照了穩(wěn)定、可靠、安全、可擴展、開放性等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。為了開發(fā)出友好人機交互界面，試驗界面采取功效強大跨平臺網(wǎng)絡(luò)編程語言Java編寫，并以Applet形式嵌入到網(wǎng)頁當(dāng)中。將Java雙緩沖技術(shù)和多線程技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)波形曲線顯示。用戶能夠經(jīng)過Applet設(shè)定多種參數(shù)（如控制器參數(shù)）。另外，整個網(wǎng)站開發(fā)還融合JSP(JavaServerPages)、JavaScript、XML（eXtensibleMarkupLanguage）和JDBC等技術(shù)。網(wǎng)站包含系統(tǒng)介紹、試驗選擇、BBS、相關(guān)鏈接和網(wǎng)站管理等子系統(tǒng)。

2.5服務(wù)器設(shè)計

(1)Web服務(wù)器

路由器將80端口映射到ApacheWeb服務(wù)器上。Web服務(wù)器偵聽80端口并響應(yīng)HTTP請求。Web服務(wù)器是一臺負(fù)責(zé)提供WRECS網(wǎng)頁（包含HTML、JSP等）計算機。當(dāng)它接收到一個HTTP請求后依據(jù)用戶權(quán)限，判定是否要為用戶下載JavaApplet用戶端試驗界面。另外，路由器將端口8832、8833和5050分別映射到了虛擬試驗專用服務(wù)器、遠(yuǎn)程試驗專用服務(wù)器和視頻服務(wù)器偵聽端口。用戶端能夠依據(jù)權(quán)限直接經(jīng)過Socket和這些服務(wù)器進(jìn)行TCP或UDP數(shù)據(jù)交互。

(2)遠(yuǎn)程試驗專用服務(wù)器

遠(yuǎn)程試驗專用服務(wù)器（RLabServer）負(fù)責(zé)偵聽和接收用戶端控制和數(shù)據(jù)信號，并負(fù)責(zé)多種復(fù)雜控制算法實現(xiàn)。依據(jù)用戶控制算法選擇和控制參數(shù)設(shè)定計算得到上位機輸出（如設(shè)定值、控制器參數(shù)等），經(jīng)過OPC接口實現(xiàn)對實際對象監(jiān)控。一樣，對象系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)被采集后也是經(jīng)過OPC接口經(jīng)過RLab服務(wù)器返回到用戶端,同時把每個試驗歷史數(shù)據(jù)以文本文件形式保留下來，為用戶提供離線數(shù)據(jù)下載。RLabServer經(jīng)過簡單排隊管理確保在同一時刻最多只能有一個用戶能夠操作試驗設(shè)備，其它用戶能夠讀取XML實時數(shù)據(jù)文件，所以可有多個用戶同時觀看。

(3)設(shè)備服務(wù)器

OPC（OLEforProcessControl）是以O(shè)LE/COM/DCOM機制作為應(yīng)用程序級通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)實現(xiàn)包含兩個組成部分，即OPCServer和OPCClient。OPCServer是一個經(jīng)典現(xiàn)場數(shù)據(jù)源程序，它搜集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)OPC接口傳送給OPCClients。OPCClient是一個經(jīng)典數(shù)據(jù)接收程序。OPCClient經(jīng)過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口和OPCServer通信，獲取OPCServer多種信息。只要符合OPC標(biāo)準(zhǔn)全部用戶應(yīng)用程序全部能夠訪問來自任何生產(chǎn)廠商標(biāo)準(zhǔn)OPC服務(wù)器程序。和基于Windows信息傳輸技術(shù)建立起來DDE（DynamicDataExchange）技術(shù)相比,OPC技術(shù)優(yōu)越性是顯然，比如數(shù)據(jù)傳輸速度愈加快（在遠(yuǎn)程用戶數(shù)多時，OPC技術(shù)優(yōu)勢尤為突出）、更安全、開發(fā)成本更低、可靠性更高等。OPC能夠看成是軟總線，增加OPC服務(wù)器或OPC用戶端就像增加總線節(jié)點那么簡單。WRECSOPC服務(wù)器負(fù)責(zé)RLabServer和PLC之間相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。

(4)視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器經(jīng)過5050端口進(jìn)行偵聽遠(yuǎn)程用戶端用戶連接請求和控制命令。并依據(jù)權(quán)限和控制命令經(jīng)過串口實現(xiàn)對云臺控制來間接控制攝像頭視角和焦距。服務(wù)器對云臺控制信號由RS-232串口輸出后，經(jīng)過一個232/485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過RS-485總線傳輸?shù)礁鱾€云臺上。采取RS-485進(jìn)行信號傳輸是因為它含有傳輸距離遠(yuǎn)、可多點傳輸（理論上，最多可同時控制32個云臺）、成本低等優(yōu)點決定。服務(wù)器由PCI視頻采集卡來負(fù)責(zé)采集AV信號視頻流信息，對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對視頻數(shù)字信號進(jìn)行MPEG-4格式壓縮后將它傳給發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送，并將視頻信息進(jìn)行當(dāng)?shù)仫@示和保留。其中，服務(wù)器端圖像壓縮方法為PCI視頻采集卡直接硬件壓縮，而用戶端解壓則采取軟件解壓方法。

(5)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫是指長久保留在計算機存放設(shè)備上，并根據(jù)某種模型組織起來，能夠被多種用戶應(yīng)用或共享數(shù)據(jù)集合。它是信息系統(tǒng)不可或缺工具，它常常是信息系統(tǒng)關(guān)鍵，且是多種軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)。WRECS選擇了采取用戶機/服務(wù)器計算機模型Oracle作為后臺關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫設(shè)計是建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵和基礎(chǔ)，它要求對于指定應(yīng)用環(huán)境，結(jié)構(gòu)出較優(yōu)異數(shù)據(jù)庫模式，建立起數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，并使系統(tǒng)能夠有效地存放數(shù)據(jù)，滿足用戶地多種應(yīng)用需求。WRECS依據(jù)需要建立了用戶注冊信息表、權(quán)限表、日志表、BBS信息表、試驗室資源表等。

3．WRECS實例——遠(yuǎn)程液位控制試驗

WRECS試驗對象為一套FCS過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了兩個串級雙輸入單輸出水箱、加熱爐、強制對流換熱器系統(tǒng)、純滯后盤管等部件組成。系統(tǒng)中采取過程檢測儀表有上、下水箱擴散硅壓力液位傳感器、渦輪番量傳感器、Pt100熱電阻溫度傳感器和三個Profibus-PA總線型傳感器（分別測量溫度、液位和流量）。系統(tǒng)中采取實施器裝置有可控硅移相調(diào)壓裝置、電動單座調(diào)整閥和三菱變頻器和Profibus總線型西門子變頻器?；谠撛囼瀸ο筮M(jìn)行PLC硬件組態(tài)和軟件組態(tài)，然后經(jīng)過Step7編程實現(xiàn)PLC控制算法，實現(xiàn)單元級控制。

PLC和當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)程試驗專用服務(wù)器（RLabServer）數(shù)據(jù)交互采取了優(yōu)異OPC接口實現(xiàn)。西門子企業(yè)為其S7-300PLC提供了OPC.SimaticNETOPCServer。經(jīng)過Step7和SIMATICNET能夠快速實現(xiàn)OPC服務(wù)器配置。RLabServerOPCClient子系統(tǒng)負(fù)責(zé)和OPC服務(wù)器通訊。另外，RLabServer還完成了遠(yuǎn)程用戶控制命令和試驗參數(shù)處理和其它管理功效（包含用戶、試驗和網(wǎng)絡(luò)等管理）。

圖3WRECS試驗界面

遠(yuǎn)程用戶登陸網(wǎng)站后，經(jīng)過提交試驗PID參數(shù)、設(shè)定值等信息給RLabServer實現(xiàn)對當(dāng)?shù)卦囼炘O(shè)備控制。RLabServer依據(jù)遠(yuǎn)程用戶發(fā)過來控制命令和試驗參數(shù)，經(jīng)過OPC接口控制PLC運行狀態(tài)并獲取有用信息，并將試驗信息保留到XML和文本文件內(nèi)。遠(yuǎn)程用戶經(jīng)過讀取XML里面實時數(shù)據(jù)或在試驗結(jié)束后下載文本歷史數(shù)據(jù)。把圖3為采樣簡單PID控制液位試驗界面。試驗過程PID參數(shù)分別為4、0.1和0.025；液位設(shè)定值從25cm改為35cm，等系統(tǒng)穩(wěn)定后再改回25cm。整個過渡過程試驗曲線圖3左邊所表示。圖3右邊為視頻監(jiān)控界面。經(jīng)過控制視頻界面內(nèi)【上】【下】【左】【右】和【放大】【縮小】按鈕，用戶能夠控制視頻監(jiān)控云臺視角和焦距，達(dá)成最好視頻監(jiān)控效果。

4．結(jié)論

伴隨能源相對緊缺，變頻技術(shù)不停發(fā)展和應(yīng)用對于大功率電機設(shè)備逐步實現(xiàn)了變頻改造。另外，因為計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)不停發(fā)展,潛移默化改變著大家學(xué)習(xí)、生活和工作等方法。對基于現(xiàn)場總線控制和遠(yuǎn)程、無線控制技術(shù)也將不停推廣應(yīng)用于各個行業(yè)。如對上述系統(tǒng)將IPC經(jīng)過互連網(wǎng)絡(luò)或PLC端加置無線通信(如GPRS)模塊連接到自來水水總企業(yè)便能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理（包含遠(yuǎn)程智能監(jiān)測和控制、遠(yuǎn)程故障診療和維護等）、實現(xiàn)無人值班守泵站建設(shè)。

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