李珊珊 劉 魁

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

基于總線網(wǎng)絡(luò)的電廠水源調(diào)度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李珊珊 劉 魁

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

根據(jù)電廠對(duì)附近水源井合理自動(dòng)調(diào)度監(jiān)控的要求，設(shè)計(jì)了一套基于PLC與CAN總線通訊的水源井自動(dòng)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)集遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理于一體，具有通信速度快、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、便于擴(kuò)展等優(yōu)勢，極大的滿足了電廠對(duì)水源井自動(dòng)控制要求。

可編程邏輯控制；CAN；上位機(jī)；組態(tài)王

熱電廠是支持城市穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)。面臨城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)熱電廠的發(fā)電量提出了新的要求，由此對(duì)熱電廠附近的供水源能否進(jìn)行合理快速的調(diào)度要求越來越高。然而大多電廠設(shè)備陳舊，自動(dòng)化程度低，熱電廠與供水源之間的通信設(shè)施老化，往往不能進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的相互通信，不能完全了解各個(gè)水源地的供水情況，容易造成對(duì)水源的調(diào)度滿足不了需求或超出需求。面對(duì)以上問題，熱電廠應(yīng)提高自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動(dòng)化與實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了一套工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電廠附近水源井實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）由于其良好的控制特性、高靠性、編程簡單等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備控制。為建立良好的人機(jī)界面，可選用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)水源井的監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)水源井的遠(yuǎn)程啟?？刂?、流量、水位、水壓及電氣信息的監(jiān)控。由于電廠或水源井附近地形復(fù)雜，且兩者距離比較遠(yuǎn)，很多研究都選用無線通信作為通信方式[2]，但無線通信方式很容易造成信息傳遞延遲或丟包現(xiàn)象，我們選用一種有線通信方式完成通信。CAN（Controller Area Network）網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場總線技術(shù)之一[1]，是具有架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，由于其可以有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，且通信距離可達(dá)10km，可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播式傳送和接受數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)上不分主從，采用非破壞性總線仲裁技術(shù)等優(yōu)勢越來越受到工業(yè)領(lǐng)域的青睞。所以我們選用CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)達(dá)到熱電廠對(duì)水源井實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)調(diào)度的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱電廠水源井調(diào)度控制系統(tǒng)包括 1個(gè)系統(tǒng)主站，負(fù)責(zé)對(duì)熱電廠附近的所有水源井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)度，監(jiān)控中心安裝在電廠化水車間內(nèi)，采用臺(tái)灣研華公司出產(chǎn)的 IPC-610/P42.0G/80G工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)。熱電廠主站與水源井子站之間的通信通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，該網(wǎng)絡(luò)不但可以實(shí)現(xiàn)主站與子站之間的通信，子站與子站之間也可以相互通信，大大提高了系統(tǒng)各部分之間的通信可靠性。通過CAN網(wǎng)絡(luò)，熱電廠主站可以對(duì)各個(gè)水源井子站的運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)送各種調(diào)度指令。電廠主站的監(jiān)控平臺(tái)是基于Window XP操作系統(tǒng)，利用專業(yè)穩(wěn)定可靠的工控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的。

每個(gè)水源井作為系統(tǒng)子站分別進(jìn)行相同的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)利用西門子S7-200作為水源井的核心控制器，通過CAN智能適配卡，電廠主站向各水源井站子站發(fā)送命令，子站通過CAN隔離收發(fā)器與CAN控制器控制接受指令，控制軟啟動(dòng)的運(yùn)行，水泵工作，并且S7-200控制相應(yīng)的檢測器件與傳感器采集水源井的水位、流量大小、出水壓力及電氣參數(shù)等，將以上信息通過 CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送到主站進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水源井自動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 主要硬件配置設(shè)計(jì)

2.1 工控機(jī)

上位機(jī)采用臺(tái)灣研華公司出產(chǎn)的 IPC610工控機(jī)，該工控機(jī)內(nèi)部 CPU為奔騰 P4/2.0G，內(nèi)存為512M，硬盤位 80G，配有 19寸液晶顯示器、UPS電源、打印機(jī)，軟件安裝kingview6.5組態(tài)王。IPC-610實(shí)時(shí)性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、兼容性廣、可靠性高。作為控制系統(tǒng)的主站可很好的將指令或數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁魉淳诱?。利用組態(tài)王軟件，完整的設(shè)計(jì)了一套實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停控制、參數(shù)設(shè)置及實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表功能、數(shù)據(jù)存檔、用戶管理等功能的人機(jī)界面。

2.2 可編程邏輯控制器（PLC）

可編程邏輯控制器由于可靠性高，在工業(yè)環(huán)境中抗干擾能力強(qiáng)，普遍應(yīng)用在各領(lǐng)域中，而且PLC的控制能力極強(qiáng)，兼有算術(shù)、邏輯運(yùn)算、定時(shí)、技術(shù)、PID運(yùn)算、過程控制、通訊等功能，均可以通過指令形式完成。PLC內(nèi)部微處理器模塊通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接各存儲(chǔ)器、外部接口和 I/O接口，通過指令控制個(gè) I/O端口的電平高低，控制外部設(shè)備運(yùn)行，大大減少大量的硬件電路設(shè)計(jì)。

因此本設(shè)計(jì)選用西門子公司生產(chǎn)的s7-200系列CPU 224作為主控制器，它具有14/10個(gè)I/O端口，可以擴(kuò)展7個(gè)模塊，具有RS485通訊接口，擁有PPI、MPI和自由口通訊能力。設(shè)計(jì)中通過RS485轉(zhuǎn)CAN轉(zhuǎn)換器將PLC與CAN控制器連接，實(shí)現(xiàn)PLC與主站之間的通信，接收來自電廠的啟停命令和將采集的信息傳送給電廠水源井調(diào)度總控制室進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示功能。

2.3 CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)

控制器局域網(wǎng)（CAN）由于通信速率快、實(shí)時(shí)性高、開放性好、通信距離遠(yuǎn)及控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，近幾年已應(yīng)用在眾多工業(yè)領(lǐng)域，是公認(rèn)的最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN每條總線上可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，及大的提高了對(duì)未來新的水源井?dāng)U展性，并且CAN網(wǎng)絡(luò)不但可以實(shí)現(xiàn)主站與從站之間的通信，而且從站之間也可以互相通信。所以本設(shè)計(jì)采用CAN總線構(gòu)成系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)主要需三個(gè)模塊：CAN適配卡、CAN控制器與CAN隔離收發(fā)器。

在通信過程中，監(jiān)控主機(jī)相當(dāng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛接在CAN總線上，CAN適配卡用于將CAN總線與工控機(jī)相連，來收集CAN總線上各水源井節(jié)點(diǎn)傳送過來的水位、出水壓力、電氣參數(shù)等信息，轉(zhuǎn)發(fā)給工控機(jī)，同時(shí)，可將工控機(jī)的指令和數(shù)據(jù)發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)，控制水源井水泵啟停。

CAN控制器是為解決控制部件之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，本設(shè)計(jì)選用典型的Philips生產(chǎn)的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000，其支持基本CAN工作模式和增強(qiáng)CAN工作模式，分別支持11bit和29bit報(bào)文描述符。PLC可通過對(duì)SJA1000的內(nèi)部寄存器讀寫訪問控制SJA1000和收發(fā)信息。

電廠主站與水源井從站之間可能距離比較遠(yuǎn)，兩者通信模塊之間的大地電平可能出現(xiàn)比較大的電壓差，從而影響正常通信的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中增加了CAN隔離收發(fā)器來解決上述問題。選用 CTM1050接口芯片來消除電壓差，其隔離電壓可達(dá)到DC2500V，且接口簡單，使用方便，不需要外接其他元件，直接連接，接收、發(fā)送引腳直接與CAN控制器的接收、發(fā)送引腳相連即可。

CAN總線結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中電阻為120Ω。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)利用組態(tài)王軟件完成，該軟件是專為工業(yè)過程控制與現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控開發(fā)的一套監(jiān)控系統(tǒng)軟件。設(shè)計(jì)選用組態(tài)王 Kingview6.5版本進(jìn)行監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)，該版本組態(tài)王支持西門子S7-200系列PLC。監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)包括對(duì)所有水源井的啟?？刂?，觀測熱電廠瞬時(shí)水源需求量和總用水量，每個(gè)水源井的水位圖、流量圖、出水壓力等動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化信息，而且還可以進(jìn)行操作日志、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報(bào)警等功能操作。監(jiān)測數(shù)據(jù)全部是由PLC通過現(xiàn)場采集通過CAN總線上傳給PC上，監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示出各水源井的參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)水源井的合理自動(dòng)調(diào)度控制。

本設(shè)計(jì)人機(jī)界面監(jiān)控軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 人機(jī)界面監(jiān)控軟件功能框圖

3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

西門子 S7-200系列可編程邏輯控制器利用STEP7-Micro/WIN V4.0SP3編程軟件進(jìn)行程序編寫，該軟件集成了語句表（ST）語言、梯形圖（LAD）語言、功能塊圖（FWD）語言，應(yīng)用靈活，因梯形圖語言編寫方便、直觀易懂，所以是PLC程序設(shè)計(jì)中使用最多的一種語言。為了方便工廠電工作人員能夠掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用梯形圖（LAD）語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并將編程好的程序通過 PC/PPI電纜從筆記本下載到S7-200PLC的CPU中，經(jīng)過調(diào)試與實(shí)際測試，完成對(duì)水源井水泵的啟停控制、水位、出水壓、流量、電氣信息等數(shù)據(jù)的采集。

PLC控制程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用西門子 S7-200可編程邏輯控制器與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)融合了通信速度快、穩(wěn)定的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，解決了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)睦щy，實(shí)現(xiàn)了熱電廠對(duì)附近水源井水源調(diào)度自動(dòng)化與實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。通過某熱電廠投產(chǎn)使用一段時(shí)間分析觀察，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，熱電廠能夠有效的對(duì)水源井進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制，而且上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)水源井的主要參數(shù)（如水位、出水管壓力、流量、電氣參數(shù)等）變化過程，同時(shí)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供的操作日志、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能運(yùn)行正常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)極大的提高了熱電廠對(duì)水源井的調(diào)度控制能力與效率，節(jié)省了人力，總體上形成了測、控、管一體化的熱電廠水源調(diào)度自動(dòng)化。

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The Design of Power Plant Wellsping Control System Based on Industrial Ethernet

Li Shanshan Liu Kui
(Shandong University of science and Technology, Qingdao，Shangdong 266510)

This paper described a design of power plant wellspring control system that was based on S7-200PLC controller and CAN BUS communication network, introduced the structure and the soft hardware design of the system. This system sets of remote control, remote monitoring and management in one, with high communication speed, good real-time performance, high reliability, extend the advantages easily, great to meet the power requirements of automatic control of power plant wellspring greatly.

PLC; CAN; PC; Kingview

李珊珊（1980-），山東萊蕪人，山東科技大學(xué)碩士研究生，計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)。