水務(wù)行業(yè)職工培訓(xùn)用SCADA系統(tǒng)

楊俊明（天津市引灤工程潮白河管理處　天津）

水務(wù)行業(yè)職工培訓(xùn)用SCADA系統(tǒng)

楊俊明
（天津市引灤工程潮白河管理處天津）

針對水務(wù)行業(yè)職工電氣技術(shù)培訓(xùn)不足的問題，建立培訓(xùn)室，依托先進(jìn)自動(dòng)控制設(shè)備，搭建SCADA系統(tǒng)。介紹SCADA系統(tǒng)主要組成及實(shí)現(xiàn)方法。SCADA系統(tǒng)投用后，職工培訓(xùn)效果良好。

水務(wù)職工培訓(xùn)SCADA系統(tǒng)模擬仿真PLCPROFIBUS-DP總線

一、概述

水務(wù)行業(yè)電氣設(shè)備需要不間斷運(yùn)行，使得青年職工平時(shí)無法更新調(diào)試或用作電氣教學(xué)培訓(xùn)。引灤工程潮白河管理處新建培訓(xùn)室，依托培訓(xùn)室先進(jìn)的自動(dòng)控制設(shè)備，搭建SCADA系統(tǒng)，模擬泵站整個(gè)自動(dòng)控制流程，演練真實(shí)泵站中機(jī)電設(shè)備的全部操作，以提高青年職工業(yè)務(wù)水平和知識技能。SCADA系統(tǒng)參照真實(shí)泵站架構(gòu)，在保留泵站系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，相應(yīng)完善配套設(shè)施，為適應(yīng)新技術(shù)、新設(shè)備和新方法，系統(tǒng)預(yù)留硬件接口及豐富的擴(kuò)展API以滿足日后升級改造需求。培訓(xùn)室SCADA系統(tǒng)包括下位機(jī)智能控制系統(tǒng)、上位機(jī)HMI系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

圖1　培訓(xùn)室SCADA系統(tǒng)架構(gòu)

二、下位機(jī)智能控制系統(tǒng)

下位機(jī)智能控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集SCADA系統(tǒng)中各種輸入信息、控制輸出設(shè)備，涉及的下位機(jī)主要有傳感器、電磁閥、電機(jī)、PLC和智能儀表，其中PLC是核心，通過其實(shí)現(xiàn)大部分的數(shù)據(jù)采集和控制功能。

1.PLC選型

經(jīng)過多方調(diào)研，管理處最終選用西門子SIMATIC S7-300系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品配備多種不同性能等級的CPU，以及為應(yīng)對不同電氣狀況而研發(fā)的擴(kuò)展模塊，可根據(jù)不同控制環(huán)境選擇特定功能模塊。PLC組件選型見表1。

表1　PLC組件選型

2.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

培訓(xùn)室內(nèi)建有1個(gè)沙盤，具備系統(tǒng)控制所需的水泵、壓力變送器和電磁閥等設(shè)施設(shè)備。設(shè)備分工：①液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測前池水位變化；②改變電磁閥開度模擬供水流量變化；③變頻器改變頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)；④調(diào)節(jié)水泵葉片角度控制輸水流量范圍；⑤壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測水泵內(nèi)管道壓力；⑥熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)及水泵溫度；⑦冷卻風(fēng)機(jī)對水泵進(jìn)行降溫處理；⑧流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測輸水流量。

（1）下位機(jī)智能控制系統(tǒng)屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)，PLC、變頻器和智能儀表是控制器；液位、壓力、風(fēng)速和流量等是被控對象；低壓水泵、電機(jī)、電磁閥和冷卻風(fēng)機(jī)等是執(zhí)行結(jié)構(gòu)；液位計(jì)、熱電偶和壓力變送器等是變送器。

（2）該系統(tǒng)中，水泵開?？刂?、電磁閥及風(fēng)機(jī)啟閉等順序控制均屬于開環(huán)控制；水泵葉片角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)屬于閉環(huán)控制，被控對象為前池水位，控制器為葉片角度調(diào)節(jié)裝置。

（3）系統(tǒng)主要是將采集的前池水位作為PID控制指令的輸入，經(jīng)過分析處理和自整定后作用于水泵葉片角度的調(diào)節(jié)，根據(jù)前池水位變化自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片角度。調(diào)節(jié)器采用PID控制方式。P、I、D參數(shù)整定采用工程整定法，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，直接在系統(tǒng)上反復(fù)調(diào)節(jié)驗(yàn)證，方法簡單，易于掌握。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，先設(shè)定1個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果再進(jìn)行修正。雖然SIMATIC S7-300系列PLC產(chǎn)品可利用自身閉環(huán)控制模塊實(shí)現(xiàn)PID控制，但為實(shí)際驗(yàn)證不同參數(shù)對控制結(jié)果的影響，增加兩塊具備PID調(diào)節(jié)功能的宇電AI808智能儀表。

3.PLC控制程序編制

（1）編程語言選擇。培訓(xùn)室選用西門子公司標(biāo)配STEP 7 V5.4編寫PLC控制程序。為滿足不同自動(dòng)化任務(wù)所需，STEP 7支持Statement List（STL）、梯形圖（LAD）和功能塊圖表（FBD）等3種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言。考慮到管理處人員實(shí)際情況，編寫控制程序主要以梯形圖為主。梯形圖非常接近于繼電器電路，很容易被熟悉繼電器控制的新老職工掌握，方便、易讀且便于調(diào)試，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。

（2）程序邏輯設(shè)計(jì)。為盡可能全面真實(shí)模擬水泵設(shè)備運(yùn)行情況，參照泵站設(shè)備實(shí)際情況，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置的正常開機(jī)條件［1］有：①油壓裝置壓力正常；②真空破壞閥已關(guān)閉；③停機(jī)繼電器未動(dòng)作；④低壓空氣儲(chǔ)氣罐壓力正常；⑤前池水位達(dá)到開機(jī)允許水位；⑥水泵葉片角度為-8°；⑦同步電機(jī)未投勵(lì)；⑧機(jī)組斷路器為閉合狀態(tài)。

8個(gè)開機(jī)條件全部設(shè)置為數(shù)字量輸入信號，當(dāng)其值全部為1時(shí)滿足開機(jī)條件，執(zhí)行正常開機(jī)任務(wù)，上位機(jī)組態(tài)畫面顯示水泵葉片運(yùn)轉(zhuǎn)并在沙盤上模擬水體流動(dòng)。前池水位數(shù)據(jù)設(shè)置為模擬量輸入，沙盤內(nèi)液位計(jì)將實(shí)時(shí)液位信息以4～20 mA電信號輸入至模擬量輸入輸出模塊，后傳輸至CPU。水泵葉片角度既為模擬量輸入，也為模擬量輸出。培訓(xùn)室PLC控制程序以開停機(jī)過程為核心，主要邏輯流程見圖2、圖3，涉及的各種信號量見表2。

圖2　開機(jī)流程

三、上位機(jī)HMI系統(tǒng)

上位機(jī)HMI系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫及軟件相連，讀取設(shè)備相關(guān)信息，實(shí)時(shí)顯示各種趨勢、診斷數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。上位機(jī)HMI系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分主要是觸摸屏或通用PC，軟件部分是運(yùn)行在PC機(jī)上的組態(tài)軟件。組態(tài)軟件以圖形界面形式顯示系統(tǒng)整體信息，并動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)中的狀態(tài)變化。

圖3　停機(jī)流程

表2　PLC系統(tǒng)信號量

Windows平臺下常用組態(tài)軟件主要有Wonderware公司的Intouch、GE公司的iFiX、Citect和西門子公司的WinCC。培訓(xùn)室內(nèi)PLC已選用西門子產(chǎn)品，組態(tài)軟件選用對應(yīng)的WinCC 7.0，其與SIMATIC S7-300系列PLC在軟硬件上無縫集成，可實(shí)現(xiàn)高效率數(shù)據(jù)傳輸，并且能直接使用STEP 7中的符號變量表，運(yùn)行時(shí)也能直接跳轉(zhuǎn)到STEP 7的功能塊，并可啟用STEP 7的硬件診斷功能，方便故障分析調(diào)試。

1.組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

培訓(xùn)室SCADA系統(tǒng)組態(tài)畫面邏輯樹見圖4。

2.報(bào)表設(shè)計(jì)

培訓(xùn)室SCADA系統(tǒng)通過PLC采集大量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后將數(shù)據(jù)記錄分為3類：①周期性記錄，如電壓、電流、溫度和葉片角度等；②非周期性動(dòng)作觸發(fā)記錄，如分合閘狀態(tài)改變、報(bào)警信息等；③動(dòng)作觸發(fā)產(chǎn)生的周期記錄，即分合閘或報(bào)警后各種電壓電流的數(shù)值變化信息。最基本和最常用的周期性報(bào)表設(shè)計(jì)樣式見圖5，樣式設(shè)計(jì)完畢，應(yīng)用WinCC報(bào)表系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。WinCC用戶歸檔編輯器可在通用PC上建立數(shù)據(jù)庫連續(xù)保存數(shù)據(jù)，其圖形化的編輯界面可快速組態(tài)WinCC歸檔控件，以圖表等樣式顯示系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。當(dāng)需要對歸檔的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問時(shí)，可以使用WinCC的歸檔控件或安裝Connectivity Pack選件編寫腳本程序讀取數(shù)據(jù)。WinCC V7.0用戶歸檔控件可實(shí)現(xiàn)工具欄的動(dòng)態(tài)化。例如，動(dòng)態(tài)化打開控件的組態(tài)對話框，其腳本程序是VBScript：ScreenItems（“Control1”）.ToolbarButtonClick=2。生成的報(bào)表可連接打印機(jī)實(shí)時(shí)或定時(shí)打印，打印內(nèi)容也定期以CSV文件形式存儲(chǔ)，方便日后查找。

圖4　組態(tài)畫面邏輯樹

圖5　報(bào)表設(shè)計(jì)圖

四、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

培訓(xùn)室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)分為兩部分：①以PROFIBUS總線構(gòu)建的PLC與PC之間的通信網(wǎng)絡(luò)；②應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)建立的與管理處內(nèi)網(wǎng)相連接的OPC服務(wù)器。

1.PROFIBUS-DP總線控制系統(tǒng)

西門子公司研發(fā)的PROFIBUS（Process Field Bus，過程現(xiàn)場總線）是目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線。在自動(dòng)控制系統(tǒng)與分布式設(shè)備通信時(shí)，PROFIBUS-DP在數(shù)據(jù)的傳輸速率、整體效率及通信成本等方面具有明顯優(yōu)勢。該培訓(xùn)系統(tǒng)PROFIBUS-DP總線組成：SIMATIC S7-300系列PLC中集成PROFIBUS-DP主/從站接口的CPU 315-2DP作為一類DP主站；通用PC作為二類DP主站；系統(tǒng)中各種傳感器、電機(jī)、電磁閥等作為DP從站。通過西門子公司的PCI卡CP 5611完成作為一類主站的PLC與二類主站通用PC的通信，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D6。

2.工業(yè)以太網(wǎng)及OPC服務(wù)器

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強(qiáng)大區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。OPC是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機(jī)之間交換自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法，為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。

3.SCADA系統(tǒng)OPC服務(wù)架構(gòu)

（1）培訓(xùn)室內(nèi)OPC服務(wù)設(shè)計(jì)思路。硬件部分使用CPU315-2DP完成運(yùn)行控制，利用通信模塊CP343-1，使用TCP/IP協(xié)議將SIMATIC S7-300接入管理處內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為基礎(chǔ)，將SCADA系統(tǒng)的預(yù)留端口接入內(nèi)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的遠(yuǎn)程訪問。軟件部分使用SIMATIC NET網(wǎng)絡(luò)通信軟件和STEP 7編程軟件配置OPC服務(wù)，其中SIMATIC NET軟件可為支持OPC服務(wù)的非西門子公司的組態(tài)軟件（如Intouch、iFiX、Citect和國內(nèi)的組態(tài)王等），提供訪問PLC數(shù)據(jù)信息的API。

圖6　PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

（2）應(yīng)用OPC服務(wù)也能解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能被編程語言直接訪問的問題。OPC作為自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問的通用模式，簡單配置即可實(shí)現(xiàn)PLC和PC的通信。配置完成后，使用Visual Basic、Delphi、C#、JAVA等程序設(shè)計(jì)語言編寫客戶端程序，訪問PLC及PC內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，并通過圖形界面，可視化展現(xiàn)數(shù)據(jù)。需要指出通信網(wǎng)絡(luò)中的核心模塊CP343-1中僅一個(gè)RJ45接口接入管理處內(nèi)網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展或組件升級時(shí)，可直接連接至空閑的RJ45接口，以滿足系統(tǒng)變更需求，不必大幅度更改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

五、應(yīng)用效果

培訓(xùn)室建成后，超出預(yù)想效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，取得顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）縮短了新職工學(xué)習(xí)時(shí)間，提高了學(xué)習(xí)效率。依托培訓(xùn)室的先進(jìn)設(shè)備和SCADA系統(tǒng)，經(jīng)歷短期業(yè)務(wù)培訓(xùn)和模擬練習(xí)，新職工即可熟悉泵站日常工作所需理論知識及大部分實(shí)踐操作技能，相當(dāng)于系統(tǒng)建成前學(xué)習(xí)積累多年的熟練程度，同時(shí)可接待本系統(tǒng)其他單位新職工的培訓(xùn)工作。

（2）真實(shí)泵站發(fā)生故障后，方便技術(shù)骨干總結(jié)分析故障原因。機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，為影響正常輸水工作，要及時(shí)準(zhǔn)確排除故障，基本無暇細(xì)致分析故障原因。培訓(xùn)室SCADA仿真系統(tǒng)投用后，在排除真實(shí)泵站的故障后，可通過培訓(xùn)室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行故障模擬，探尋故障原因，研究出多套解決方案，并詳細(xì)分析其利弊。日后出現(xiàn)類似故障時(shí)，可更加快速高效解決問題。

（3）培訓(xùn)室內(nèi)設(shè)備，尤其是PLC系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，通過新增功能模塊和添加新型科技設(shè)備，拓展原有系統(tǒng)功能，不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸槿蘸笤谡鎸?shí)泵站應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

（4）培訓(xùn)室內(nèi)沙盤和水泵模型嚴(yán)格遵循真實(shí)泵站比例，泵站及配套設(shè)施設(shè)備全貌一覽無余。在接待領(lǐng)導(dǎo)及參觀人員時(shí)，先在培訓(xùn)室內(nèi)將泵站整體情況做清晰明確講解，再去泵站現(xiàn)場時(shí)，對泵站概況已經(jīng)有一定認(rèn)識，可深入講解實(shí)際泵站的設(shè)施設(shè)備，并有針對性地對比講解不同規(guī)模泵站的機(jī)電設(shè)施設(shè)備差異及控制保護(hù)系統(tǒng)差距。

潮白河管理處培訓(xùn)室，成功實(shí)現(xiàn)了電氣模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際電氣控制系統(tǒng)，填補(bǔ)了水務(wù)行業(yè)中水泵運(yùn)行仿真控制系統(tǒng)的空白，實(shí)現(xiàn)了對水泵及配套機(jī)電設(shè)備整體模擬，加快了水務(wù)工作者的知識更新速度，全面提高了水務(wù)工作者的技能水平，在華北地區(qū)乃至全國都具有很強(qiáng)的前瞻性，在技術(shù)上保持領(lǐng)先地位。

1 徐澤林.泵站機(jī)電設(shè)備維修工與泵站運(yùn)行工［M］.河南：黃河水利出版社，1995

〔編輯凌瑞〕

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