基于PROFIBUSDP总线控制的G变频器和SPLC在泵站恒压供水控制新版系统中的应用.doc

摘 要 】 
　　提出并实现了一个以S7-300可编程逻辑控制器作为关键控制装置，使用工业控制计算机经过Visual Basic 6和MS SQL Server数据库实现上位机画面监控和系统管理,以OPC作为软硬件通讯接口，以Profibus-DP现场总线方法控制西门子G150变频器在城市供水泵站中应用。实现了调整城市管网供水压力及节省能源和系统管理目标。

　　【关键词 】
　　变频恒压供水；SINAMICS G150；PLC； OPC；VB6；DP现场总线

　　1．引言
　　经伴随城市建设规模不停扩大和生活水平提升，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水可靠性（压力、流量）要求越来越高，多种分散或集中加压设施也逐步增多。在这些加压设施中，采取调整水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变量供水方法在稳定城市管网压力、节省能源、系统监视管理方面已显现出极大优越性。

　　2．系统组成情况
　　2.1 SINAMICS G150变频器
　　源于西门子最新传动家族SINAMICS G150高性能单机变频调速柜适适用于全部单电机传动应用，满足多个负载特征要求，包含平方转距，线性转距，恒转距及恒功率负载类型.。采取紧凑高品质威图(RITTAL)柜式设计，节省占地面积30%~70%。柜内强电保护，平静运行(低于67dB)。使用全新主控制板CU320，智能化设计，采取CF软件存放卡，提供光缆接口和ProfiBus接口，功效操作面板AOP30和功效强大软件工具STARTER进行选型，调试，节能计算。SINAMICS G150变频器配合N-Compact电机很适适用于使用平方律扭矩特征驱动泵和风机变频器操作。

　　2.2 可编程序控制器（PLC）
　　选择西门子S7-300系列通用型PLC。该系列PLC能适合自动化工程中多种应用场所，使用模块化结构，多种单独模块之间可进行广泛组合以用于扩展。使用CPU313C-2DP为关键控制单元，该模块带MPI和ProfiBus-DP通信接口，配有MMC存放卡，免维护，集成了24DI/16DI数字量IO，再扩展一个8AI模拟输入模块用于管网压力，流量，蓄水池水位及电机轴承温度等模拟量检测。

　　2.3工业控制计算机(IPC)系统
　　使用研华IPC610工控机，以MS Windows为系统平台，配置CP5611用于ProfiBus-DP现场总线通信，SIMATIC NET 软件配置OPC Server 使用VB6开发系统监控软件，MS SQL Server为后台数据库管理平台。使用SIMATIC SETP7 软件进行对系统组态和编程调试，使用STARTER 软件进行对SINAMICS G150变频器配置调试。
　　其它设备包含水泵电机、出口阀门、压力传感器、液位计及相关电气控制设备等集成，进行变频调速全自动闭环控制管理监视功效，其系统组成示意见图1 。

　　图1 系统组成

　　3．系统设计和实践
　　3.1 基础控制原理
　　 由压力变送器测量管网压力和流量信号转换成标准模拟信号经PLDA/D转换，和设定值比较，进行PID运算，经过DP总线控制变频器频率，调整水泵转速而达成恒压及节能原理。图示。

　　3.2 变频参数设置
　　经过STARTER软件向导设置G150变频器站地址，和波特率等参数，使之连接到DP总线上，成为S7-300PLC 一个从站。配置连接电机类型、电流、功率等参数，配置变频器命令源和主参数设定源为Profibus方法，选择速度控制方法（Speed control），定义Profibus PZD数据格式，选择使用水泵风机负载类型。图2所表示。

　　图2 变频器设置向导

　　图3 驱动原理

　　图4 斜坡功效发生器(RFG)

　　图5 速度设定逻辑

　　3.3 下位机PLC程序开发
　　PLC本控制系统关键元件。设备服务器（IPC）和S7-300数据通讯实现了两套冗余通讯方法：其一为IPC经过自带CP1613卡和PLC扩展模块CP343-1经过工业以太网通讯；其二为IPC经过自带CP5611卡和PLCDP通讯口进行S7、Profibus-DP等现场总线通讯协议进行通讯。用户端PC能够在试验室局域网、校园网或Internet访问远程试验室网站并做试验。因为用户做试验不受时间和地点限制，充足发挥了用户主观能动性，也让有限试验设备得到了更有效分时复用。
　　(2) WRECS软件结构设计
　　图2 WRECS软件结构
　　为了让远程试验室能得到最大程度普及，必需提供一个方便用户端程序、实现用户端程序“零安装”。所以采取B/S结构，以用户端浏览器作为通用用户端程序，整个试验系统组成利用了Java Applet、JavaScript、JSP等交互式动态页面技术。另外，数据存放和传送采取XML和OPC接口技术。
　　远程试验用户依据用户名和密码登陆WRECS网站后，经过Java AppletSocket提交试验参数（控制命令、控制器参数等）给试验室服务器RLab Server。此时，Java Applet会简单判定用户输入信息（如数据类型）。假如输入有误，则立即提醒错误信息。RLab Server侦听端口接收到试验信息后，解析并提取试验信息，经过一定处理后（如判定是否已经有用户在做试验、复杂控制算法实现、日志统计等），经过OPC接口传输给PLC。PLC是关键控制器，负责简单控制算法实现，并将控制对象信息经OPC接口传回给RLab Server。RLab Server除了能够对实时和历史试验数据在当地显示之外，还能够将它们分别以一定格式保留进XML和文本文件内。其中，XML文件保留实时数据，好让用户端取用并显示；文本文件保留每次试验历史数据，好让用户下载数据并离线分析。用户端浏览器Java Script经过定时读取XML数据，并将数据送给Java Applet。最终Java Applet以曲线和数据形式显示试验结果。其次，用户能够依据网络带宽决定是否开启视频流监控。
　　2.2 控制器选择和设计
　　远程试验系统是一个让远程用户控制当地试验设备系统。这么一个系统就对控制器提出了稳定、可靠、鲁棒性好等要求。PLC（Programmable Logic Controller）是计算机最新技术和工业自动化经典理论相结合产物，是一个自动化控制领域关键控制设备。它实现了工业控制领域接线逻辑到存放逻辑飞跃，功效上有实现了逻辑控制到数字控制进步。它经过光电隔离I/O接口模块、R-C滤波输入、屏蔽各个模块、自诊疗、双CPU冗余等手段基础上满足了远程试验系统提出要求。现在，PLC产品已在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业广泛应用。WRECS控制器选择了西门子S-300PLC作为控制器。
　　2.3 通讯网络选择和设计
　　PLC发展除了功效越来越多、集成度越来越高外，网络功效也越来越强。选择好控制器以后，选择数据传输方法——通讯网络也是很关键。从结构上看，PLC网络能够分为两种，一个在PLC模块上做了一个通信输出口，能够直接和计算机联接实现点对点通信（RS232）；另一个是经过多点联接（RS485），这适适用于多层PLC。 这方面，西门子产品含有代表性。西门子依据不一样自动化水平要求(工厂级, 单元级, 现场和传感器/实施器级),提供了网络处理方案，包含多点接口 (MPI)、Profibus、工业以太网、ProfiNet (基于工业以太网)、点对点连接 (PtP)、实施器/传感器接口(ASI)。现在网络是一个发展趋势，一个好网络系统能够大大降低成本。
　　2.4 用户端试验平台设计
　　WRECS系统网站是遵照了稳定、可靠、安全、可扩展、开放性等标准进行设计。为了开发出友好人机交互界面，试验界面采取功效强大跨平台网络编程语言Java编写，并以Applet形式嵌入到网页当中。将Java双缓冲技术和多线程技术相结合，实现动态数据波形曲线显示。用户能够经过Applet设定多种参数（如控制器参数）。另外，整个网站开发还融合JSP(Java Server Pages)、JavaScript、XML（eXtensible Markup Language）和JDBC等技术。网站包含系统介绍、试验选择、BBS、相关链接和网站管理等子系统。
　　2.5 服务器设计
　　(1) Web服务器
　　路由器将80端口映射到Apache Web服务器上。Web服务器侦听80端口并响应HTTP请求。Web服务器是一台负责提供WRECS网页（包含HTML、JSP等）计算机。当它接收到一个HTTP请求后依据用户权限，判定是否要为用户下载Java Applet用户端试验界面。另外，路由器将端口8832、8833和5050分别映射到了虚拟试验专用服务器、远程试验专用服务器和视频服务器侦听端口。用户端能够依据权限直接经过Socket和这些服务器进行TCP或UDP数据交互。
　　(2) 远程试验专用服务器
　　远程试验专用服务器（RLab Server）负责侦听和接收用户端控制和数据信号，并负责多种复杂控制算法实现。依据用户控制算法选择和控制参数设定计算得到上位机输出（如设定值、控制器参数等），经过OPC接口实现对实际对象监控。一样，对象系统实时数据被采集后也是经过OPC接口经过RLab服务器返回到用户端, 同时把每个试验历史数据以文本文件形式保留下来，为用户提供离线数据下载。RLab Server经过简单排队管理确保在同一时刻最多只能有一个用户能够操作试验设备，其它用户能够读取XML实时数据文件，所以可有多个用户同时观看。
　　(3) 设备服务器
　　OPC（OLE for Process Control）是以OLE/COM/DCOM机制作为应用程序级通信标准。OPC技术实现包含两个组成部分，即OPC Server和OPC Client。OPC Server是一个经典现场数据源程序，它搜集现场设备数据信息，经过标准OPC接口传送给OPC Clients。OPC Client是一个经典数据接收程序。OPC Client经过OPC标准接口和OPC Server通信，获取OPC Server多种信息。只要符合OPC标准全部用户应用程序全部能够访问来自任何生产厂商标准OPC服务器程序。和基于Windows信息传输技术建立起来DDE（Dynamic Data Exchange）技术相比,OPC技术优越性是显然，比如数据传输速度愈加快（在远程用户数多时，OPC技术优势尤为突出）、更安全、开发成本更低、可靠性更高等。OPC能够看成是软总线，增加OPC服务器或OPC用户端就像增加总线节点那么简单。WRECSOPC服务器负责RLab Server和PLC之间相关数据传输。
　　(4) 视频服务器
　　视频服务器经过5050端口进行侦听远程用户端用户连接请求和控制命令。并依据权限和控制命令经过串口实现对云台控制来间接控制摄像头视角和焦距。服务器对云台控制信号由RS-232串口输出后，经过一个232/485转换器进行信号转换后再经过RS-485总线传输到各个云台上。采取RS-485进行信号传输是因为它含有传输距离远、可多点传输（理论上，最多可同时控制32个云台）、成本低等优点决定。服务器由PCI视频采集卡来负责采集AV信号视频流信息，对模拟信号进行A/D转换，对视频数字信号进行MPEG-4格式压缩后将它传给发送缓冲区发送，并将视频信息进行当地显示和保留。其中，服务器端图像压缩方法为PCI视频采集卡直接硬件压缩，而用户端解压则采取软件解压方法。
　　(5) 数据库服务器
　　数据库是指长久保留在计算机存放设备上，并根据某种模型组织起来，能够被多种用户应用或共享数据集合。它是信息系统不可或缺工具，它常常是信息系统关键，且是多种软件系统基础。WRECS选择了采取用户机/服务器计算机模型Oracle作为后台关系数据库服务器。数据库设计是建立数据库及其应用系统关键和基础，它要求对于指定应用环境，结构出较优异数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能够有效地存放数据，满足用户地多种应用需求。WRECS依据需要建立了用户注册信息表、权限表、日志表、BBS信息表、试验室资源表等。

　　3．WRECS实例——远程液位控制试验
　　WRECS试验对象为一套FCS过程控制系统。该系统包含了两个串级双输入单输出水箱、加热炉、强制对流换热器系统、纯滞后盘管等部件组成。系统中采取过程检测仪表有上、下水箱扩散硅压力液位传感器、涡轮番量传感器、Pt100热电阻温度传感器和三个Profibus-PA总线型传感器（分别测量温度、液位和流量）。系统中采取实施器装置有可控硅移相调压装置、电动单座调整阀和三菱变频器和Profibus总线型西门子变频器。基于该试验对象进行PLC硬件组态和软件组态，然后经过Step7编程实现PLC控制算法，实现单元级控制。
　　PLC和当地远程试验专用服务器（RLab Server）数据交互采取了优异OPC接口实现。西门子企业为其S7-300PLC提供了OPC.SimaticNET OPC Server。经过Step7和SIMATIC NET能够快速实现OPC服务器配置。RLab ServerOPC Client子系统负责和OPC服务器通讯。另外，RLab Server还完成了远程用户控制命令和试验参数处理和其它管理功效（包含用户、试验和网络等管理）。

　　图3 WRECS试验界面
　　远程用户登陆网站后，经过提交试验PID参数、设定值等信息给RLab Server实现对当地试验设备控制。RLab Server依据远程用户发过来控制命令和试验参数，经过OPC接口控制PLC运行状态并获取有用信息，并将试验信息保留到XML和文本文件内。远程用户经过读取XML里面实时数据或在试验结束后下载文本历史数据。把图3为采样简单PID控制液位试验界面。试验过程PID参数分别为4、0.1和0.025；液位设定值从25cm改为35cm，等系统稳定后再改回25cm。整个过渡过程试验曲线图3左边所表示。图3右边为视频监控界面。经过控制视频界面内【上】【下】【左】【右】和【放大】【缩小】按钮，用户能够控制视频监控云台视角和焦距，达成最好视频监控效果。

　　4．结论
　　伴随能源相对紧缺，变频技术不停发展和应用对于大功率电机设备逐步实现了变频改造。另外，因为计算机、网络通讯等技术不停发展,潜移默化改变着大家学习、生活和工作等方法。对基于现场总线控制和远程、无线控制技术也将不停推广应用于各个行业。如对上述系统将IPC经过互连网络或PLC端加置无线通信(如GPRS)模块连接到自来水水总企业便能够实现网络远程集中监控管理（包含远程智能监测和控制、远程故障诊疗和维护等）、实现无人值班守泵站建设。

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