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【摘 要 】 
　　提出并实现了一种以S7-300可编程逻辑控制器作为核心控制装置，使用工业控制计算机通过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现场总线方式控制西门子G150变频器在城市供水泵站中的应用。实现了调节城市管网供水压力及节约能源和系统管理的目的。
　　
　　【关键词 】
　　变频恒压供水；SINAMICS G150；PLC； OPC；VB6；DP现场总线
　　
　　1．引言
　　经随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变量供水方式在稳定城市管网压力、节约能源、系统监视管理方面已显现出极大的优越性。
　　
　　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的SINAMICS G150高性能单机变频调速柜适用于所有单电机传动的应用，满足多种负载特性的要求，包括平方转距，线性转距，恒转距及恒功率负载类型.。采用紧凑高品质威图(RITTAL)柜式设计，节省占地面积30%~70%。柜内强电保护，安静运行(低于67dB)。使用全新主控制板CU320，智能化设计，采用CF软件存储卡，提供光缆接口和ProfiBus接口，功能操作面板AOP30和功能强大的软件工具STARTER进行选型，调试，节能计算。SINAMICS G150变频器配合N-Compact电机非常适用于使用平方律扭矩特性驱动泵和风机的变频器操作。
　　
　　2.2 可编程序控制器（PLC）
　　选用西门子S7-300系列通用型PLC。该系列PLC能适合自动化工程中的各种应用场合，使用模块化结构，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。使用CPU313C-2DP为核心控制单元，该模块带MPI和ProfiBus-DP通信接口，配有MMC存储卡，免维护，集成了24DI/16DI的数字量IO，再扩展一个8AI的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的检测。
　　
　　2.3工业控制计算机(IPC)系统
　　使用研华IPC610工控机，以MS Windows2000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 软件进行对系统的组态和编程调试，使用STARTER 软件进行对SINAMICS G150变频器的配置调试。
　　其他设备包括水泵电机、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能，其系统组成示意见图1 。
　　
　　图1 系统组成
　　
　　3．系统的设计与实践
　　3.1 基本控制原理
　　 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PLD的A/D转换，和设定值比较，进行PID运算，通过DP总线控制变频器频率，调节水泵转速而达到恒压及节能原理。如图示。
　　
　　3.2 变频参数设置
　　通过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 的一个从站。配置连接的电机类型、电流、功率等参数，配置变频器命令源和主参数设定源为Profibus方式，选择速度控制方式（Speed control），定义Profibus PZD数据格式，选择使用水泵风机负载类型。如图2所示。
　　
　　图2 变频器设置向导
　　
　　图3 驱动原理
　　
　　图4 斜坡功能发生器(RFG)
　　
　　图5 速度设定逻辑
　　
　　3.3 下位机PLC程序开发
　　PLC本控制系统的核心元件。设备服务器（IPC）与S7-300数据通讯实现了两套冗余的通讯方式：其一为IPC经过自带的CP1613卡与PLC的扩展模块CP343-1通过工业以太网通讯；其二为IPC通过自带的CP5611卡与PLC的DP通讯口进行S7、Profibus-DP等现场总线通讯协议进行通讯。客户端PC可以在实验室局域网、校园网或Internet访问远程实验室网站并做实验。由于用户做实验不受时间和地点的限制，充分发挥了用户的主观能动性，也让有限的实验设备得到了更有效的分时复用。
　　(2) WRECS软件结构设计
　　图2 WRECS软件结构
　　为了让远程实验室能得到最大限度的普及，必须提供一个方便的客户端程序、实现客户端程序“零安装”。因此采用B/S结构，以客户端浏览器作为通用客户端程序，整个实验系统的构成利用了Java Applet、JavaScript、JSP等交互式动态页面技术。此外，数据的存放和传送采用XML和OPC接口技术。
　　远程实验用户根据用户名和密码登陆WRECS网站后，通过Java Applet的Socket提交实验参数（控制命令、控制器参数等）给实验室服务器RLab Server。此时，Java Applet会简单判断用户的输入信息（如数据类型）。如果输入有误，则及时提示错误信息。RLab Server侦听的端口接收到实验信息后，解析并提取实验信息，经过一定处理后（如判断是否已经有用户在做实验、复杂控制算法实现、日志记录等），通过OPC接口传递给PLC。PLC是主要控制器，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除了可以对实时和历史实验数据在本地显示之外，还可以将它们分别以一定的格式保存进XML和文本文件内。其中，XML文件保存实时数据，好让客户端取用并显示；文本文件保存每次实验的历史数据，好让用户下载数据并离线分析。客户端浏览器Java Script通过定时读取XML数据，并将数据送给Java Applet。最后Java Applet以曲线和数据形式显示实验结果。另一方面，用户可以根据网络带宽决定是否启动视频流监控。
　　2.2 控制器的选择与设计
　　远程实验系统是一个让远程用户控制本地实验设备的系统。这样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）是计算机最新技术与工业自动化经典理论相结合的产物，是一种自动化控制领域重要的控制设备。它实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，功能上有实现了逻辑控制到数字控制的进步。它通过光电隔离I/O接口模块、R-C滤波输入、屏蔽各个模块、自诊断、双CPU冗余等手段基本上满足了远程实验系统提出的要求。目前，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的控制器选择了西门子S-300PLC作为控制器。
　　2.3 通讯网络的选择与设计
　　PLC的发展除了功能越来越多、集成度越来越高外，网络功能也越来越强。选择好控制器之后，选择数据的传输方式——通讯网络也是非常重要的。从结构上看，PLC网络可以分为两种，一种在PLC模块上做了一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点通信（RS232）；另一种是通过多点联接（RS485），这适用于多层PLC。 这方面，西门子的产品具有代表性。西门子根据不同自动化水平的要求(工厂级, 单元级, 现场和传感器/执行器级),提供了网络解决方案，包括多点接口 (MPI)、Profibus、工业以太网、ProfiNet (基于工业以太网)、点对点连接 (PtP)、执行器/传感器接口(ASI)。目前网络是一个发展趋势，一个好的网络系统可以大大降低成本。
　　2.4 客户端实验平台的设计
　　WRECS系统网站是遵循了稳定、可靠、安全、可扩展、开放性等原则进行设计的。为了开发出友好的人机交互界面，实验界面采用功能强大的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双缓冲技术与多线程技术相结合，实现动态数据波形曲线显示。用户可以通过Applet设定各种参数（如控制器参数）。此外，整个网站的开发还融合JSP(Java Server Pages)、JavaScript、XML（eXtensible Markup Language）和JDBC等技术。网站包括系统介绍、实验选择、BBS、相关链接和网站管理等子系统。
　　2.5 服务器的设计
　　(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（包括HTML、JSP等）的计算机。当它接收到一个HTTP请求后根据用户权限，判断是否要为用户下载Java Applet客户端实验界面。此外，路由器将端口8832、8833和5050分别映射到了虚拟实验专用服务器、远程实验专用服务器和视频服务器侦听的端口。客户端可以根据权限直接通过Socket与这些服务器进行TCP或UDP数据交互。
　　(2) 远程实验专用服务器
　　远程实验专用服务器（RLab Server）负责侦听和接收客户端的控制和数据信号，并负责各种复杂控制算法的实现。根据客户控制算法的选择和控制参数的设定计算得到上位机的输出（如设定值、控制器参数等），通过OPC接口实现对实际对象的监控。同样的，对象系统的实时数据被采集后也是通过OPC接口经过RLab服务器返回到客户端, 同时把每个实验的历史数据以文本文件的形式保存下来，为用户提供离线数据下载。RLab Server通过简单排队管理保证在同一时刻最多只能有一个用户可以操作实验设备，其他用户可以读取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的通信标准。OPC技术的实现包括两个组成部分，即OPC Server和OPC Client。OPC Server是一个典型的现场数据源程序，它收集现场设备数据信息，通过标准的OPC接口传送给OPC Clients。OPC Client是一个典型的数据接收程序。OPC Client通过OPC标准接口与OPC Server通信，获取OPC Server的各种信息。只要符合OPC标准的所有客户应用程序都可以访问来自任何生产厂商的标准OPC服务器程序。与基于Windows信息传递技术建立起来的DDE（Dynamic Data Exchange）技术相比,OPC技术的优越性是显然的，例如数据传输速度更快（在远程客户数多时，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可以看成是软总线，增加OPC服务器或OPC客户端就像增加总线节点那么简单。WRECS的OPC服务器负责RLab Server与PLC之间相关数据的传递。
　　(4) 视频服务器
　　视频服务器通过5050端口进行侦听远程客户端用户连接请求和控制命令。并根据权限和控制命令通过串口实现对云台的控制来间接控制摄像头的视角和焦距。服务器对云台的控制信号由RS-232串口输出后，经过一个232/485转换器进行信号转换后再通过RS-485总线传输到各个云台上。采用RS-485进行信号传输是因为它具有传输距离远、可多点传输（理论上，最多可同时控制32个云台）、成本低等优点决定的。服务器由PCI视频采集卡来负责采集AV信号的视频流信息，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，并将视频信息进行本地显示和保存。其中，服务器端的图像压缩方式为PCI视频采集卡直接硬件压缩，而客户端解压则采用软件解压方式。
　　(5) 数据库服务器
　　数据库是指长期保存在计算机的存储设备上，并按照某种模型组织起来，可以被各种用户应用或共享的数据集合。它是信息系统不可或缺的工具，它常常是信息系统的核心，且是各种软件系统的基础。WRECS选择了采用客户机/服务器计算机模型的Oracle作为后台关系数据库服务器。数据库的设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础，它要求对于指定的应用环境，构造出较优秀的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能够有效地存储数据，满足用户地各种应用需求。WRECS根据需要建立了用户注册信息表、权限表、日志表、BBS信息表、实验室资源表等。
　　
　　3．WRECS实例——远程液位控制实验
　　WRECS的实验对象为一套FCS过程控制系统。该系统包含了两个串级的双输入单输出水箱、加热炉、强制对流换热器系统、纯滞后盘管等部件组成。系统中采用的过程检测仪表有上、下水箱扩散硅压力液位传感器、涡轮流量传感器、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）。系统中采用的执行器装置有可控硅移相调压装置、电动单座调节阀和三菱变频器和Profibus总线型西门子变频器。基于该实验对象进行PLC的硬件组态和软件组态，然后通过Step7编程实现PLC控制算法，实现单元级控制。
　　PLC与本地远程实验专用服务器（RLab Server）的数据交互采用了先进的OPC接口实现。西门子公司为其S7-300PLC提供了OPC.SimaticNET OPC Server。通过Step7和SIMATIC NET可以快速实现OPC服务器的配置。RLab Server的OPC Client子系统负责与OPC服务器通讯。此外，RLab Server还完成了远程用户的控制命令和实验参数的处理和其它管理功能（包括用户、实验和网络等管理）。
　　
　　图3 WRECS实验界面
　　远程用户登陆网站后，通过提交实验PID参数、设定值等信息给RLab Server实现对本地实验设备的控制。RLab Server根据远程用户发过来的控制命令和实验参数，通过OPC接口控制PLC的运行状态并获取有用信息，并将实验信息保存到XML和文本文件内。远程用户通过读取XML里面的实时数据或在实验结束后下载文本历史数据。把图3为采样简单PID控制液位实验界面。实验过程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。整个过渡过程的实验曲线如图3左边所示。图3右边为视频监控界面。通过控制视频界面内【上】【下】【左】【右】和【放大】【缩小】按钮，用户可以控制视频监控云台的视角和焦距，达到最佳视频监控效果。
　　
　　4．结论
　　随着能源的相对紧缺，变频技术的不断发展和应用对于大功率的电机设备逐渐实现了变频改造。此外，由于计算机、网络通讯等技术的不断发展,潜移默化的改变着人们的学习、生活和工作等方式。对基于现场总线控制和远程、无线控制技术也将不断推广应用于各个行业。如对上述系统将IPC通过互连网络或PLC端加置无线通信(如GPRS)模块连接到自来水水总公司便可以实现网络的远程集中监控管理（包括远程智能监测和控制、远程故障诊断和维护等）、实现无人值班守泵站建设。
　　
　　
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