下位機PLC和上位機組態(tài)軟件在恒壓供水系統(tǒng)中的應用

劉 鑫，李鵬飛

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.大唐甘谷電廠，甘肅天水741000）

下位機PLC和上位機組態(tài)軟件在恒壓供水系統(tǒng)中的應用

劉 鑫1，李鵬飛2

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.大唐甘谷電廠，甘肅天水741000）

介紹了下位機PLC和上位機組態(tài)軟件在恒壓供水系統(tǒng)中的應用，簡單闡述了下位機和上位機的組態(tài)及編程應用、PLC編程理論和PID控制算法，以及下位機PLC和上位機組態(tài)軟件的通訊連接和上位機組態(tài)軟件的一般組態(tài)功能。

下位機；上位機；PID；功能塊；數(shù)據(jù)庫；

1 工程概述

1.1恒壓供水系統(tǒng)介紹

供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大、水質(zhì)易污染、基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，會導致部分設備不能正常工作。變頻調(diào)速技術是一種新型成熟的交流電機無極調(diào)速技術，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力的控制有著嚴格的要求，因而變頻調(diào)速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水系統(tǒng)技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高，在泵站供水中可完成以下功能:①維持水壓恒定；②控制系統(tǒng)可手動／自動運行；③多臺泵自動切換運行；④系統(tǒng)睡眠與喚醒，當外界停止用水時，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，直至有用水需求時自動喚醒；⑤在線調(diào)整PID參數(shù)；⑥泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等。

將管網(wǎng)的實際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進行比較，當管網(wǎng)壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減小，管網(wǎng)壓力下降，保持恒壓供水。

1.2系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工藝要求

本系統(tǒng)包括PLC柜、表柜、低壓變頻柜和外部傳感器等設備。系統(tǒng)采用PLC+上位機的組合方式，系統(tǒng)分為循環(huán)水泵站和壓縮空氣站，外部儀表包括壓力、溫度、流量等傳感器，傳感器輸出4mA-20 mA的電流信號進入PLC模擬量輸入模塊和儀表顯示柜，由上位機畫面和儀表柜顯示。

壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現(xiàn)所需功能。壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉(zhuǎn)化為4mA-20mA的電流信號，提供給PLC模擬量輸入模塊。利用PLC編程軟件中的PID功能調(diào)節(jié)整定供水壓力，PLC將整定后的壓力信號經(jīng)PLC模擬量輸出，將4mA-20mA電流信號傳送給變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)供水壓力，保持水位壓力恒定。該系統(tǒng)開關量控制2個冷卻塔風機和3個冷水泵，冷卻塔風機手動控制，實現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)回水；3個冷水泵進行手動／自動聯(lián)鎖控制，實現(xiàn)循環(huán)供水壓力的恒定；模擬量由壓力、液位、流量等組成，由PLC進行采集，在上位機中顯示。

系統(tǒng)工藝要求:凈循環(huán)冷水泵為3臺（2用1備），各電機均可手動單獨操作，通過一臺變頻器對冷水池水位進行調(diào)節(jié)，當水位在主變頻器達到上限頻率但仍不能達到供水要求時，依次控制另一臺工作泵以軟啟動方式投入運行，從而控制水位恒定，當供水過剩時，軟啟動器啟動的水泵自動退出，由變頻器控制水泵恒水位運行，當其中一臺泵或變頻器控制的水泵或變頻器故障時，備用泵以軟啟動方式自動投入，除變頻器控制的水泵外，另兩臺水泵通過PLC控制器實現(xiàn)工作與備用的自動循環(huán)。

2下位機PLC和上位機編程軟件在恒壓供水系統(tǒng)中的實現(xiàn)

2.1下位機編程軟件概述及工程應用

下位機編程軟件可以用于控制器和基于PC的編程、監(jiān)控和參數(shù)設置，是工業(yè)軟件的重要組成部分。選用的PLC編程軟件為工業(yè)現(xiàn)場使用率最高、性能最穩(wěn)定的軟件版本，具有以下功能:硬件配置和參數(shù)設置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等，是目前網(wǎng)絡上最優(yōu)秀的PLC編程軟件。

系統(tǒng)下位機分為硬件組態(tài)和軟件編程；

PLC系統(tǒng)硬件由I／O底板、CPU、電源模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊組成；PLC柜配交換機，通過TCP／IP通訊連接上位機，上位機通過SIDirect DAServer驅(qū)動連接PLC與上位機通訊。PLC通過編程軟件進行組態(tài)，在編程軟件中先建立一個站點，在站點中打開硬件配置進行該項目的硬件組態(tài)，具體硬件配置如圖1所示。

圖1系統(tǒng)硬件配置圖

系統(tǒng)軟件主程序在組織塊OB1中，在組織塊OB1中實現(xiàn)各個功能塊的調(diào)用，以及2個冷卻塔風機的啟停操作，和3個冷水泵的聯(lián)動，實現(xiàn)3個冷水泵（2用1備）手自動切換，3個冷水泵和液位以及管線壓力實現(xiàn)聯(lián)鎖，當其中一個泵運行時壓力小于設定值，液位大于設定值，自動啟動另外兩個冷水泵中的一個，實現(xiàn)2用1備，當其中一個水泵故障時，備用泵自動投入運行，當壓力大于設定值，達到水位上限時，軟啟動控制的冷水泵自動停止運行，由變頻器控制的水泵實現(xiàn)PID供水調(diào)節(jié)水位恒定，PID功能的實現(xiàn)是調(diào)用系統(tǒng)功能塊FB41在中斷組織塊OB35中實現(xiàn)，系統(tǒng)模擬量調(diào)用功能塊FB1實現(xiàn)模擬量如液位、壓力、流量等的采集，量程轉(zhuǎn)換調(diào)用系統(tǒng)功能塊FC105、FC106，在FB1中調(diào)用FC105編程實現(xiàn)模擬量的量程轉(zhuǎn)換調(diào)用，每個FB1在創(chuàng)建時生成一個DB背景數(shù)據(jù)塊，用于保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)，F(xiàn)C1中調(diào)用FB1對各個模擬量實參賦值，形參進行模擬信號的采集，F(xiàn)C1則由組織塊OB1調(diào)用，實現(xiàn)PLC編程軟件的結(jié)構(gòu)化編程，結(jié)構(gòu)化編程把過程要求或相關的功能進行分類，并試圖提供可以用于幾個任務的通用解決方案。向指令塊提供有關信息（以參數(shù)形式），結(jié)構(gòu)化程序能夠重復利用這些通用的模塊，只需要在使用功能塊時為其提供不同的環(huán)境變量（實參），就能完成對不同設備的控制。本系統(tǒng)的程序塊如圖2所示。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化調(diào)用如圖3所示。

圖2系統(tǒng)程序塊

圖3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化調(diào)用

FB（功能塊）是用戶編寫的具有自己存儲區(qū)域（背景數(shù)據(jù)塊）的塊，每次調(diào)用功能塊時需提供各種類型的數(shù)據(jù)給功能塊，功能塊也要反饋變量給調(diào)用它的塊。這些數(shù)據(jù)以靜態(tài)變量（STAT）的形式存放在指定的背景數(shù)據(jù)塊（DI）中，臨時變量（TEMP）存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中。調(diào)用功能塊或系統(tǒng)功能塊時，必須指定背景數(shù)據(jù)塊的編號，調(diào)用時背景數(shù)據(jù)塊被自動打開。在編譯功能塊時，系統(tǒng)會自動生成背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)。在程序中通過上位機來訪問這些背景數(shù)據(jù)塊。在功能塊中給形參賦初值，它們被自動寫入相應的背景數(shù)據(jù)塊中。

FC（功能）是用戶編寫的沒有固定存儲區(qū)的塊，其臨時變量存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中，功能執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。調(diào)用FC（功能）和FB（功能塊）時實參代替形參，F(xiàn)C（功能）不需要背景數(shù)據(jù)塊。功能和功能塊用輸入（IN）參數(shù)、輸出（OUT）參數(shù)和I／0（IN／OUT）參數(shù)做指針，指向調(diào)用它的邏輯塊提供的實參。

本系統(tǒng)的FB（功能塊）調(diào)用了FC105系統(tǒng)功能，在FC中對FB（功能塊）賦予實參。FC1調(diào)用FB1如圖4所示。

圖4 FC1調(diào)用FB1

FC105是模擬輸入規(guī)格化成工程量，F(xiàn)C106是把工程量規(guī)格化到模擬輸出。FC105，F(xiàn)C106功能用于測量電壓、電流、溫度和電阻信號。FB1調(diào)用FC105如圖5所示。

圖5 FB1調(diào)用FC105

典型的PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖6所示，點劃線部分是用PLC實現(xiàn)的。

圖6 PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)

在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c（t）（例如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等）是連續(xù)變化的模擬量，大多數(shù)執(zhí)行機構(gòu)（如電動調(diào)節(jié)閥）要求PLC輸出模擬量信號mV（t），而PLC的CPU只能處理二進制數(shù)字值。c（t）首先被測量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標準量程的直流電流信號或直流電壓信號PV（t），PLC用模擬量輸入模塊中的A／D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為時間上離散的數(shù)字值PV（n）。模擬量與數(shù)字值之間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序的執(zhí)行時周期性的，其時間間隔成為采樣周期T。

在本系統(tǒng)中，被控對象為水箱水位，被控的物理量為壓力c（t）。用壓力傳感器檢測水箱壓力，壓力傳感器將變送器輸出的壓力信號轉(zhuǎn)換為4mA-20mA的電流信號，然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后得到與壓力成比例的數(shù)字值，CPU將其與壓力設定值比較，并按PID算法對誤差進行運算，將運算結(jié)果（數(shù)字值）送給模擬量輸出模塊，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?mA-20mA電流信號，用來控制變頻器的轉(zhuǎn)速的高低，通過它調(diào)節(jié)水箱壓力，實現(xiàn)對壓力的閉環(huán)控制，實現(xiàn)恒壓供水。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)PLC調(diào)用系統(tǒng)功能塊FB41實現(xiàn)PID控制。FB41稱為連續(xù)控制的PID用于控制連續(xù)變化的模擬量，PID的初始化可以將參數(shù)COM-RST置位，PID的調(diào)用在OB35中完成，一般設置時間為200ms。

（1）FB41輸入?yún)?shù)

COM_RST:BOOL:重新啟動PID:當該位TURE時:PID執(zhí)行重啟動功能，復位PID內(nèi)部參數(shù)到默認值；通常在系統(tǒng)重啟動時執(zhí)行一個掃描周期，或在PID進入飽和狀態(tài)需要退出時用這個位；

MAN_ON:BOOL:手動值ON；當該位為TURE時，PID功能塊直接將MAN的值輸出到LMN，這可以在PID框圖中看到；也就是說，這個位是PID的手動／自動切換位；

PEPER_ON:BOOL:過程變量外圍值ON:過程變量即反饋量，此PID可直接使用過程變量PIW（不推薦），也可使用PIW規(guī)格化后的值（常用），因此，這個位為FALSE；

P_SEL:BOOL:比例選擇位:該位ON時，選擇P（比例）控制有效；一般選擇有效；

I_SEL:BOOL:積分選擇位；該位ON時，選擇I（積分）控制有效；一般選擇有效；

INT_HOLD BOOL:積分保持，不去設置它；

I_ITL_ON BOOL:積分初值有效，I-ITLVAL（積分初值）變量和這個位對應，當此位ON時，則使用I-ITLVAL變量積分初值。一般當發(fā)現(xiàn)PID功能的積分值增長比較慢或系統(tǒng)反應不夠時可以考慮使用積分初值；

D_SEL:BOOL:微分選擇位，該位ON時，選擇D（微分）控制有效；一般的控制系統(tǒng)不用；

CYCLE:TIME:PID采樣周期，一般設為200ms；

SP_INT:REAL:PID的給定值；

PV_IN:REAL:PID的反饋值（也稱過程變量）；

PV_PER:WORD:未經(jīng)規(guī)格化的反饋值，由PEPERON選擇有效；（不推薦）

MAN:REAL:手動值，由MAN-ON選擇有效；

GAIN:REAL:比例增益；

TI:TIME:積分時間；

TD:TIME:微分時間；

TM_LAG:TIME:我也不知道，沒用過它，和微分有關；

DEADB_W:REAL:死區(qū)寬度；如果輸出在平衡點附近微小幅度振蕩，可以考慮用死區(qū)來降低靈敏度；

LMN_HLM:REAL:PID上極限，一般是100%；

LMN_LLM:REAL:PID下極限；一般為0%，如果需要雙極性調(diào)節(jié)，則需設置為-100%；（正負10V輸出就是典型的雙極性輸出，此時需要設置-100%）；

PV_FAC:REAL:過程變量比例因子

PV_OFF:REAL:過程變量偏置值（OFFSET）

LMN_FAC:REAL:PID輸出值比例因子；

LMN_OFF:REAL:PID輸出值偏置值（OFFSET）；

I_ITLVAL:REAL:PID的積分初值；有I-ITL-ON選擇有效；

DISV:REAL:允許的擾動量，前饋控制加入，一般不設置；

FB41輸出參數(shù):

LMN:REAL:PID輸出；

LMN_P:REAL:PID輸出中P的分量；

LMN_I:REAL:PID輸出中I的分量；

LMN_D:REAL:PID輸出中D的分量；

（2）規(guī)格化概念及方法

PID參數(shù)中重要的幾個變量，給定值、反饋值和輸出值都是用0.0-1.0之間的實數(shù)表示，而這幾個變量在實際中都是來自與模擬輸入，或者輸出控制模擬量的。因此，需要將模擬輸出轉(zhuǎn)換為0.0-1.0的數(shù)據(jù)，或?qū)?.0-1.0的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬輸出，這個過程稱為規(guī)格化。

規(guī)格化的方法:（即變量相對所占整個值域范圍內(nèi)的百分比對應與27648數(shù)字量范圍內(nèi)的量）

對于輸入和反饋，執(zhí)行:變量＊100/27648，然后將結(jié)果傳送到PV-IN和SP-INT；

對于輸出變量，執(zhí)行:LMN＊27648／100，然后將結(jié)果取整傳送給PQW即可。

（3）PID的調(diào)整方法

一般不用D，除非一些大功率加熱控制等慣大的系統(tǒng)；僅使用PI即可；一般先使I等于0，P從0開始往上加，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩為止，記下此時振蕩的周期，然后設置I為振蕩周期的0.48倍。

本系統(tǒng)中將壓力設定值DB2.DBD4和實際壓力值DB1.DBD8賦值給FB41的SP_INT（PID的給定值）和PV_IN（PID的反饋值），設置好PID的相關參數(shù)（如LMN_HLM:PID上極限，LMN_LLM: PID下極限，TI:積分時間，GAIN:比例增益，CYCLE: PID采樣周期，MAN_ON:手動值ON）。將變頻器控制頻率DB2.DBD0賦值給LMN:PID輸出，將變頻器控制頻率DB2.DBD0由功能塊FC106轉(zhuǎn)換成標準量程賦值給 PLC模擬量輸出模塊，由PLC模擬量輸出模塊調(diào)節(jié)變頻器的頻率。PID控制如圖8所示。

圖8 PID控制

2.2上位機組態(tài)及應用

上位機組態(tài)軟件用于可視化的控制工業(yè)生產(chǎn)過程。為工程師提供了易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，使工程師能夠快速地建立、測試和部署強大的連接和傳遞實時信息的自動化應用。組態(tài)軟件是一個開放的、可擴展的人機界面，可以靈活地定制應用程序設計，為工業(yè)中的各種自動化設備提供了連接能力。

2.2.1上位機組態(tài)軟件與PLC通信

上位機組態(tài)軟件與PLC通信是通過SIDirect DAServer驅(qū)動通過標準的以太網(wǎng)卡訪問PLC。SIDirect DAServer可以通過DDE、FastDDE、SuiteLink、OPC協(xié)議連接Windows客戶端軟件。首先安裝SIDirect DAServer，安裝并配置以太網(wǎng)卡和TCP／IP協(xié)議。配置好SIDirect DAServer和組態(tài)軟件后，激活SIDirect DAServer便可實現(xiàn)組態(tài)軟件與PLC的通訊。SIDirect DAServer配置圖如圖9所示。

圖9 SIDirect DAServer配置圖

在組態(tài)軟件中，標記的類型有I／O型、內(nèi)存型等，訪問PLC變量就要選擇I／O型標記，定義I／O型標記就要設計訪問名和項目，訪問名就是在SIDirect DAServer中定義的PLC設備，項目對應實際的PLC地址，在配置時可能需要相應的轉(zhuǎn)換。訪問名和項目設計如圖10所示。

上位機組態(tài)軟件與PLC標記名命名規(guī)則:

圖10訪問名和項目設計

2.2.2上位機組態(tài)

上位機組態(tài)軟件集控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術、人機界面技術于一身，包含動態(tài)顯示、報警、控件、趨勢、網(wǎng)絡通訊等，必要時還可以通過第三方程序，例如VB實現(xiàn)復雜的功能。上位機組態(tài)軟件的圖形界面美觀，支持ActiveX控件，采用的內(nèi)部函數(shù)，報表借助于第三方程序例如VB實現(xiàn)。同時也支持組態(tài)對象的查找、替換功能。

本系統(tǒng)制作了循環(huán)水泵站畫面、壓縮空氣站畫面、實時趨勢、歷史趨勢、歷史報警、操作記錄、報表顯示等多個工藝流程主界面，在每幅畫面中顯示相應設備運行狀況、系統(tǒng)運行參數(shù)和儀表數(shù)值。本系統(tǒng)組態(tài)畫面如圖11所示。

本系統(tǒng)歷史報警通過組態(tài)軟件和關系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)SQL Server建立通訊連接，利用組態(tài)軟件查找保存在SQL中的歷史數(shù)據(jù)；報表通過組態(tài)軟件和關系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)Microsoft Access建立通訊連接，利用VB調(diào)用組態(tài)軟件腳本讀Access中的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)顯示報表的功能。歷史報警如圖12所示。

圖11系統(tǒng)組態(tài)畫面

圖12歷史報警

在上位機組態(tài)軟件中引入第三方程序增強了軟件的功能，使組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)庫的應用更加靈活。

3結(jié)束

本系統(tǒng)以PLC為主線，以編程系統(tǒng)為平臺，結(jié)合組態(tài)軟件，系統(tǒng)地介紹了PLC的編程理論、PID控制算法，及其在工業(yè)恒壓供水中的應用。PLC與組態(tài)軟件編程功能強大，開發(fā)界面美觀，通訊連接易學易用，普遍適用于工控行業(yè)。本系統(tǒng)自2009年投入運行以來，系統(tǒng)可靠性高，運行穩(wěn)定。

［1］廖常初.PLC編程及應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［2］張萬忠.可編程控制器應用技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2001.

［3］西門子PLC與INTOUCH綜合應用.人民郵電出版社，2010.

［4］過程可視化組態(tài)軟件INTOUCH應用技術機械工業(yè)出版社，2006.

Application of lower computer PLC and upper computer configuration software in constant pressure water supply system

LIU Xin1，LI Peng-fei2
（1.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China；2.Datang Gangu Power Plant，Tianshui 741000，China）

The application of the lower computer PLC and the upper computer configuration software in the water supply system with the constant pressure is presented.The configuration and programming applications of the lower computer and the upper computer，the PLC programming theory and the PID control algorithm are briefly introduced.The communication connections between the lower computer PLC and the upper computer configuration software as well as the general configuration functions of the upper computer configuration software are also given.

lower computer；upper computer；PID；function block；database

TP273

B

2016-05-15

1005—7277（2016）04—0029—06

劉 鑫（1981.8-），男，漢族，工程師，2005年畢業(yè)于北京化工大學，就職于天水電氣傳動研究所有限責任公司，從事自動化設計與調(diào)試工作。

李鵬飛（1977-），男，漢族，1996年畢業(yè)于重慶電力?？茖W校，大唐甘谷發(fā)電廠設備部主任，從事火電廠設備管理、檢修工作。