楊俊明（天津市引灤工程潮白河管理處　天津）

水務行業(yè)職工培訓用SCADA系統(tǒng)

楊俊明
（天津市引灤工程潮白河管理處天津）

針對水務行業(yè)職工電氣技術培訓不足的問題，建立培訓室，依托先進自動控制設備，搭建SCADA系統(tǒng)。介紹SCADA系統(tǒng)主要組成及實現(xiàn)方法。SCADA系統(tǒng)投用后，職工培訓效果良好。

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

一、概述

水務行業(yè)電氣設備需要不間斷運行，使得青年職工平時無法更新調試或用作電氣教學培訓。引灤工程潮白河管理處新建培訓室，依托培訓室先進的自動控制設備，搭建SCADA系統(tǒng)，模擬泵站整個自動控制流程，演練真實泵站中機電設備的全部操作，以提高青年職工業(yè)務水平和知識技能。SCADA系統(tǒng)參照真實泵站架構，在保留泵站系統(tǒng)功能基礎上，相應完善配套設施，為適應新技術、新設備和新方法，系統(tǒng)預留硬件接口及豐富的擴展API以滿足日后升級改造需求。培訓室SCADA系統(tǒng)包括下位機智能控制系統(tǒng)、上位機HMI系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡（圖1）。

圖1　培訓室SCADA系統(tǒng)架構

二、下位機智能控制系統(tǒng)

下位機智能控制系統(tǒng)主要負責采集SCADA系統(tǒng)中各種輸入信息、控制輸出設備，涉及的下位機主要有傳感器、電磁閥、電機、PLC和智能儀表，其中PLC是核心，通過其實現(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，以及為應對不同電氣狀況而研發(fā)的擴展模塊，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)設計

培訓室內(nèi)建有1個沙盤，具備系統(tǒng)控制所需的水泵、壓力變送器和電磁閥等設施設備。設備分工：①液位計實時監(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變頻器改變頻率實現(xiàn)電機軟啟動；④調節(jié)水泵葉片角度控制輸水流量范圍；⑤壓力變送器實時監(jiān)測水泵內(nèi)管道壓力；⑥熱電偶實時監(jiān)測電機及水泵溫度；⑦冷卻風機對水泵進行降溫處理；⑧流量計實時監(jiān)測輸水流量。

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

（2）該系統(tǒng)中，水泵開停控制、電磁閥及風機啟閉等順序控制均屬于開環(huán)控制；水泵葉片角度的自動調節(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節(jié)，根據(jù)前池水位變化自動調節(jié)葉片角度。調節(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，直接在系統(tǒng)上反復調節(jié)驗證，方法簡單，易于掌握。在實際調試時，先設定1個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調節(jié)效果再進行修正。雖然SIMATIC S7-300系列PLC產(chǎn)品可利用自身閉環(huán)控制模塊實現(xiàn)PID控制，但為實際驗證不同參數(shù)對控制結果的影響，增加兩塊具備PID調節(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。培訓室選用西門子公司標配STEP 7 V5.4編寫PLC控制程序。為滿足不同自動化任務所需，STEP 7支持Statement List（STL）、梯形圖（LAD）和功能塊圖表（FBD）等3種標準化編程語言?？紤]到管理處人員實際情況，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、易讀且便于調試，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。

（2）程序邏輯設計。為盡可能全面真實模擬水泵設備運行情況，參照泵站設備實際情況，自動控制系統(tǒng)設置的正常開機條件［1］有：①油壓裝置壓力正常；②真空破壞閥已關閉；③停機繼電器未動作；④低壓空氣儲氣罐壓力正常；⑤前池水位達到開機允許水位；⑥水泵葉片角度為-8°；⑦同步電機未投勵；⑧機組斷路器為閉合狀態(tài)。

8個開機條件全部設置為數(shù)字量輸入信號，當其值全部為1時滿足開機條件，執(zhí)行正常開機任務，上位機組態(tài)畫面顯示水泵葉片運轉并在沙盤上模擬水體流動。前池水位數(shù)據(jù)設置為模擬量輸入，沙盤內(nèi)液位計將實時液位信息以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。培訓室PLC控制程序以開停機過程為核心，主要邏輯流程見圖2、圖3，涉及的各種信號量見表2。

圖2　開機流程

三、上位機HMI系統(tǒng)

上位機HMI系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫及軟件相連，讀取設備相關信息，實時顯示各種趨勢、診斷數(shù)據(jù)及相關信息。上位機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，軟件部分是運行在PC機上的組態(tài)軟件。組態(tài)軟件以圖形界面形式顯示系統(tǒng)整體信息，并動態(tài)模擬系統(tǒng)中的狀態(tài)變化。

圖3　停機流程

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。培訓室內(nèi)PLC已選用西門子產(chǎn)品，組態(tài)軟件選用對應的WinCC 7.0，其與SIMATIC S7-300系列PLC在軟硬件上無縫集成，可實現(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，運行時也能直接跳轉到STEP 7的功能塊，并可啟用STEP 7的硬件診斷功能，方便故障分析調試。

1.組態(tài)畫面設計

培訓室SCADA系統(tǒng)組態(tài)畫面邏輯樹見圖4。

2.報表設計

培訓室SCADA系統(tǒng)通過PLC采集大量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析后將數(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非周期性動作觸發(fā)記錄，如分合閘狀態(tài)改變、報警信息等；③動作觸發(fā)產(chǎn)生的周期記錄，即分合閘或報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表設計樣式見圖5，樣式設計完畢，應用WinCC報表系統(tǒng)進行詳細設計。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)的運行數(shù)據(jù)。當需要對歸檔的數(shù)據(jù)進行訪問時，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用戶歸檔控件可實現(xiàn)工具欄的動態(tài)化。例如，動態(tài)化打開控件的組態(tài)對話框，其腳本程序是VBScript：ScreenItems（“Control1”）.ToolbarButtonClick=2。生成的報表可連接打印機實時或定時打印，打印內(nèi)容也定期以CSV文件形式存儲，方便日后查找。

圖4　組態(tài)畫面邏輯樹

圖5　報表設計圖

四、通信網(wǎng)絡設計

培訓室內(nèi)通信網(wǎng)絡分為兩部分：①以PROFIBUS總線構建的PLC與PC之間的通信網(wǎng)絡；②應用工業(yè)以太網(wǎng)技術建立的與管理處內(nèi)網(wǎng)相連接的OPC服務器。

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）是目前應用最廣泛的現(xiàn)場總線。在自動控制系統(tǒng)與分布式設備通信時，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、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)絡拓撲見圖6。

2.工業(yè)以太網(wǎng)及OPC服務器

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強大區(qū)域和單元網(wǎng)絡。OPC是一個工業(yè)標準，定義了應用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法，為基于Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁。

3.SCADA系統(tǒng)OPC服務架構

（1）培訓室內(nèi)OPC服務設計思路。硬件部分使用CPU315-2DP完成運行控制，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，以現(xiàn)有的網(wǎng)絡設備為基礎，將SCADA系統(tǒng)的預留端口接入內(nèi)網(wǎng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)整體的遠程訪問。軟件部分使用SIMATIC NET網(wǎng)絡通信軟件和STEP 7編程軟件配置OPC服務，其中SIMATIC NET軟件可為支持OPC服務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)絡拓撲

（2）應用OPC服務也能解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能被編程語言直接訪問的問題。OPC作為自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問的通用模式，簡單配置即可實現(xiàn)PLC和PC的通信。配置完成后，使用Visual Basic、Delphi、C#、JAVA等程序設計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)絡中的核心模塊CP343-1中僅一個RJ45接口接入管理處內(nèi)網(wǎng)，當網(wǎng)絡需要進行功能擴展或組件升級時，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)絡拓撲。

五、應用效果

培訓室建成后，超出預想效果，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，取得顯著經(jīng)濟和社會效益，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）縮短了新職工學習時間，提高了學習效率。依托培訓室的先進設備和SCADA系統(tǒng)，經(jīng)歷短期業(yè)務培訓和模擬練習，新職工即可熟悉泵站日常工作所需理論知識及大部分實踐操作技能，相當于系統(tǒng)建成前學習積累多年的熟練程度，同時可接待本系統(tǒng)其他單位新職工的培訓工作。

（2）真實泵站發(fā)生故障后，方便技術骨干總結分析故障原因。機組出現(xiàn)故障時，為影響正常輸水工作，要及時準確排除故障，基本無暇細致分析故障原因。培訓室SCADA仿真系統(tǒng)投用后，在排除真實泵站的故障后，可通過培訓室內(nèi)設備進行故障模擬，探尋故障原因，研究出多套解決方案，并詳細分析其利弊。日后出現(xiàn)類似故障時，可更加快速高效解決問題。

（3）培訓室內(nèi)設備，尤其是PLC系統(tǒng)，具有很強的擴展能力，通過新增功能模塊和添加新型科技設備，拓展原有系統(tǒng)功能，不斷進行科技創(chuàng)新，構建實驗模型，為日后在真實泵站應用提供有價值的參考。

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

潮白河管理處培訓室，成功實現(xiàn)了電氣模型復現(xiàn)實際電氣控制系統(tǒng)，填補了水務行業(yè)中水泵運行仿真控制系統(tǒng)的空白，實現(xiàn)了對水泵及配套機電設備整體模擬，加快了水務工作者的知識更新速度，全面提高了水務工作者的技能水平，在華北地區(qū)乃至全國都具有很強的前瞻性，在技術上保持領先地位。

1 徐澤林.泵站機電設備維修工與泵站運行工［M］.河南：黃河水利出版社，1995

〔編輯凌瑞〕

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