【正文】 進行遠程控制，對于梯級泵站無法進行聯(lián)合調(diào)度運行。各控制之間有時不能進行可靠的安全閉鎖，不能完全避免操作員的操作錯誤。事故發(fā)生后，由于信息 量不足往往難以對事故原因做出 正確的分析。大多數(shù)泵站采用繼電器邏輯控制、獨立的檢測裝置或儀表，這樣運行方式落后，存在的問題主要有 ： (1)信息處理能力差，軟件開發(fā)跟不上，許多應有的功能不能實現(xiàn)。技術改造及資金投入十分有限，微機監(jiān)控起步較晚，與國外同行業(yè)相比仍有較大差距。隨著計算機技術的進步，目前越來越多的單位對泵站監(jiān)控自動化技術進行研究，近幾年來全國許多泵站工程，都將計算機監(jiān)控系統(tǒng)納入提高泵站自動化水平的重要措施之一，但這些計算機監(jiān)控系統(tǒng)大多 沒有真正充分發(fā)揮應有的作用。 本文利用組態(tài)軟件和 PLC解決了大型泵站計算機的監(jiān)控問題，方便有效的實現(xiàn)了泵站的自動化監(jiān)控。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題。 在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實現(xiàn) 這些 任務，都是通過編寫程序（如使用 BASIC、 C、 FORTRAN等）來實現(xiàn)的。今天，許多以計算機為基礎的監(jiān)測與控制系統(tǒng)正在控制著各種各樣的生產(chǎn)過程。畢業(yè)設計說明書 1 第一章 引言 概述 近年來，計算機技術得到了突飛猛進的發(fā)展。特別是微機己經(jīng)滲透到人們生活生產(chǎn)的各個領域，小至家用電器的控制，大到人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，到處可以看到計算機在發(fā)揮作用。我國的一些主要行業(yè)，如石化、電力、冶金等已大量使用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。編寫程序不但工作量大、周期長，而且容易犯錯誤，不能保證工期。對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。 我國水利系統(tǒng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用由于多種原因尚處于起步階段。 多年來，由于泵站運行產(chǎn)生的是社會效益，其經(jīng)濟效益一直未被重視。目前經(jīng)過長期運行考驗的泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)是常規(guī)系統(tǒng)和與計算機監(jiān)控系統(tǒng)并存，且計算機監(jiān)控系統(tǒng)只能完成數(shù)據(jù)監(jiān)測和處理，而未能做到計算機控制和調(diào)節(jié)泵組。 (2)故障追憶能力較差。 (3)控制可靠性不高。 (4)不能進行復雜的計算，難以實現(xiàn)復雜控制，無法進行優(yōu)化調(diào)度運行。 畢業(yè)設計說明書 2 (6)系統(tǒng)開放性差，升級困難，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理。如日本水 管理系統(tǒng)幾乎全部實現(xiàn)了計算機自動監(jiān)控，微機監(jiān)控系統(tǒng)大多采用分層分 布 式結(jié)構(gòu)。由于可靠性高，不少泵站己實現(xiàn)“少人值守，無人值守，如新川河口裝有6臺 貫流 式軸流泵，該站的主機以及輔機均由中央控制室遠距離操作。 目前隨著技術的發(fā)展我國的泵站自動化正從單個對象的自動控制到整個機組的自動控制，從強電就地控制到弱電集中控制，從 單個泵站的自動化到采用遠動裝置的泵站群綜合自動化，從計算機集中控制到集散控制的發(fā)展過程，以及隨著自動化程度的進一步提高，向少人值守或無人值守泵站發(fā)展。本設計就大型泵站計算機控制在 ACC（軋后加速冷卻）循環(huán)水系統(tǒng)中的應用做了具體介紹。它們的控制方式是按對象進行分散的單回路調(diào)節(jié)，具有成本低、可靠性高及維護性能好等優(yōu)點。隨著生產(chǎn)過程的復雜化暴露了這些常規(guī)儀表的通信和人機聯(lián)系能力差，控制性能簡單，難以實現(xiàn)較復雜的控制規(guī)律，系統(tǒng)構(gòu)成不靈活及缺乏實時判斷能力等缺點。 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展是與計算機技術的發(fā)展密切相關的，大體上分為三個 階段 ： 1)70 年代中期以前的集中式計算機控制系統(tǒng) 在 50年代計算機僅僅在工廠實驗室或其他測試環(huán)境中進行數(shù)據(jù)采集和分析。這一時期的計算機只用于管理方式，給操作員以 操作指導和給模擬儀表以設定點控制方式，它不直接參與過程控制，所以不能稱之為過程計算機控制。 1962年，英國 ICI公司安裝了一種 Ferranti Argus計算機控制系統(tǒng)，替代了全部模擬控制儀表，即模擬技術由數(shù)字技術來代替，而控制功 能保持不變。 集中式計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了直接數(shù)字控制 (DDC)、集中型計算機控制系統(tǒng)和分層計算機控制系統(tǒng)。 DDC的第一個數(shù)字控制算法是 PID。亦可表示為增量形式： ? U(k)=Kp[e(k)一 e(k一 1)]+Kie(k)+Kd[e(k)一 2e(k一 1)+e(k一 2)] 式中 Ki=Kp*T/Ti為積分系數(shù)， Kd=Kp*Td/T為微分系數(shù)。 DDC控制比起模擬儀表控制的主要優(yōu)點在于所有 PID 和其它運算均在計算機中進行，保持了數(shù)字化的精度。 集中型計算機控制系統(tǒng)：集中型計算機控制把幾十個甚至幾百個控制回路以 及上千個過程變量的顯示、操作和控制集中在一臺計算機上來實現(xiàn)。但也存在危險集中、 速度和容量負擔過重以及開發(fā)周期過長等問 題。它們是初期的計算機分散控制系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)是 一個分布式系統(tǒng)，從整體邏輯上講是一個分支樹結(jié)構(gòu)，這與工業(yè)生產(chǎn)過程的行政管理結(jié)構(gòu)相一致，它是管理集中，控制分散。它是由計算機技術、信 號處理技術、測量控制技術、通信網(wǎng)絡技術和人機接口技術等相互發(fā)展?jié)B透而產(chǎn) 生的，既不同于分散的儀表控制系統(tǒng)，也不同于集中式計算機控制系統(tǒng)，它是吸 收了兩者的優(yōu)點，在它們的基礎上發(fā)展起來的一門系統(tǒng)工程技術，具有很強的生 命力和顯著的優(yōu)越性。 3)90 年代計算機監(jiān)控系統(tǒng)高速發(fā)展時期 90年代計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術進入一個新的發(fā)展階段，生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)與信 息管理系統(tǒng)緊密結(jié)合構(gòu)成管控一體化新一代計算機監(jiān)控系統(tǒng)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信趨勢是向開放系統(tǒng)互連 (OSI)方向發(fā)展，應使系統(tǒng)專用網(wǎng)絡與普通網(wǎng)絡可 以互連。 (2)大型計算機監(jiān)控系統(tǒng)進一步完善和提高的同時，發(fā)展小型計算機監(jiān)控系統(tǒng) .采用 32位微機于過程控制，應用智能 1/0設備，實施現(xiàn)場總線，發(fā)展 PLC與計算機監(jiān)控系統(tǒng)和其它控制回路的接口，適應離散類和批量工業(yè)自動化的要求。 包括知識庫系統(tǒng) (KBS)和專家系統(tǒng) (ES)在計算機監(jiān)控系統(tǒng)的各級實現(xiàn)，推出以微處理器為基礎的智能設備。從市場預測、接受訂貨、原料供應、生產(chǎn)計劃、作業(yè)排序、過程控制、產(chǎn)品銷售，到用戶信息反饋、新產(chǎn)品開發(fā)、經(jīng)營管理、整個形成一個動態(tài)反饋系統(tǒng)，具有自判斷、自組織、自學習的能力。廣泛應用于工業(yè)制造、石油化工、電力等各個部門，但在水利系統(tǒng)，排灌泵站應用計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術還不多 ， 缺乏較成熟的經(jīng)驗。研究的目的就是要建立一套集生產(chǎn)、控制、監(jiān)測為一體的循環(huán)水監(jiān)控信息平臺，研究的主要內(nèi)容包括變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速、 PLC程序控制現(xiàn)場器件的運行、 MCGS組態(tài)軟件監(jiān)控現(xiàn)場運行情況、網(wǎng)絡的通訊方式、為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、在線即時信息查詢、報表輸出等功能，通過對泵的變頻調(diào)速，實現(xiàn) 恒壓供水，提高運作效率、降低成本、提高服務質(zhì)量，實現(xiàn)更大的利潤和社會效益。 (2)監(jiān)視和監(jiān)測水循環(huán)系統(tǒng)的運行狀況 。 (4)采用組態(tài)軟件生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)。它具有一定的通用性，保證了系統(tǒng)功能的完整性、先進性、靈活性以及各個不同系統(tǒng)的兼容性。例如：系統(tǒng)采集哪些信號、信號類型、畫面顯示要求。軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)、實時控制組態(tài)軟件等組成。系統(tǒng)的核心控制對象是由變頻器、電動機和水泵本體組成的廣義的水泵。側(cè)噴泵組為 2 臺 160kw 的變頻泵，一用一備，冷卻泵組為 3 臺 280kw的變頻泵，兩用一備，提升泵組為 3 臺 160kw 的變頻泵，兩用一備。 (2)工作泵出現(xiàn)故障后 自動切換到備用泵。 (4)要求 AI36 點， AO14 點， DI180 點， DO100 點， ACC 循環(huán)水高位水箱水位和壓力恒定，側(cè)噴泵組水流量保持為 300 立方米 /小時。 (5)控制算法要求采用 PID 控制。 在該系統(tǒng)中，九臺給水泵組和兩臺側(cè)噴泵組將冷水池中的水送往 ACC 本體的高位水箱，從 ACC 本體設備流出的水經(jīng)中間水箱送往熱水池。其控制要求是使冷水池和熱水池水位保持在正常工作水位附近，并且保證冷水池水溫不高于工藝要求的設定值（ 35℃ ）。其特殊之處在于所有水泵的調(diào)節(jié)量比值是不變的，目的是保持由水溫控制環(huán)提供的冷熱水流量比不變。 ACC 循環(huán)水泵站水循環(huán)處理系統(tǒng)必須滿足 ACC 工藝和設備所提出的各種要求，如滿足 ACC 短時間大水量間隙脈沖工作方式，調(diào)節(jié)水流量使 ACC 主體設備中高位水箱的水 位恒定，控制 ACC 主體設備中側(cè)噴泵水流量不變，保證 ACC 主體設備噴水溫度恒定在某個低溫值上，使冷水池和熱水池水位保持在某個工作范圍內(nèi)等。該系統(tǒng)能夠自動地監(jiān)測整個循環(huán)水泵的運行狀況。各系統(tǒng)自上而下逐層分解，直至完成所要求的功能，并在設 計中盡量減少模塊間數(shù)據(jù)、控制參數(shù)的傳遞，以減少相關性。采用熱備用方式 ，三臺工頻泵采用兩用一備方式運行，變頻泵采用兩用一 備或一用一備的方式運行，并在無故障時工作泵 運行一定時間后自動切換 到備用泵，以便使所有的泵交替運行，保證水泵的壽命。自動地 對工作中的每個泵及其 控制設備 進行狀態(tài)反饋 ，如水泵等的正常自動運行，在出現(xiàn)異常時迅速 切換 并報警 ，并通過相應指示燈幫助工作人員 發(fā)現(xiàn)故障的原因，及時的進行處理。采用模塊化設計以方便維護。 畢業(yè)設計說明書 8 (5)可讀性 。 設計思想 (1)采用分級、分布式結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)設中央控制室和泵站現(xiàn)場監(jiān)控站兩級，由中 心 控室統(tǒng)一管理。系統(tǒng)功能還包括能實現(xiàn)手動控制、就地控制和遠程控制的相互切換，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各監(jiān)控站仍能實現(xiàn)就地控制。自動化儀表驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)均選用可靠設備。 (4)系統(tǒng)擴展靈活，重組容易。 泵站 SCADA 主站計算機系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，有利于將來系統(tǒng)的升級。 設計方案 方案 選 比 方案 (一 )：利用 PLC 網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)分布式采樣，即在被控點附近設置采樣單元一套，就近完成被控點的狀態(tài)采樣和控制輸出，主要為響就控制信號輸出和信息采集，各采樣單元間通過工業(yè)控制網(wǎng)絡相連構(gòu)成 監(jiān)控系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)。 方案 (二 )：利用 PLC 網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)分布式，即在被控點附近設置采樣單元一套，就近完成被控點的狀態(tài)采樣和控制輸出，并完成該采樣單元內(nèi)部各控制信號的互鎖；各采樣單元間通過工業(yè)控制網(wǎng)絡相連構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)。 兩 個方案中， 方案 (一 )僅僅只是利用 PLC 網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)分布式采樣，再將畢業(yè)設計說明書 9 各 PLC 控制單元通過工業(yè)控制網(wǎng)與圖形上位機系統(tǒng)聯(lián)接，完成信號的采集，傳送、處理。因此我們選用方案二作為本設計的基本方案。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)是一個典型的由現(xiàn)場執(zhí)行級 、下位主控級、和上位監(jiān)控級組成的三級計算機 控制 系統(tǒng)。 上位 監(jiān)測系統(tǒng)由 MCGS（ HMI）軟件組態(tài)，用于監(jiān)控水處理站的系統(tǒng)運行過程 。 三臺 監(jiān)控計算機 均 采用 研華 POS818，普通顯示器 19寸， 提供友好、豐富的人機界面，對循環(huán)水系統(tǒng)運行狀況進行全面監(jiān)控畢業(yè)設計說明書 10 并有協(xié)調(diào)下位機進行主控的作用 。此時，系統(tǒng)是通過下位機即 PLC進行單獨工作的 ， 并且系統(tǒng)的工作狀態(tài)是自動工作狀態(tài) 。 PLC是以微處理器為基礎，綜合自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝 置，它具有體積小，功能強，程序設計簡單，靈活通用，維護方便等一系列的優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強的適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，使它成為大規(guī)?？刂乒こ痰睦硐胂挛粰C。 作為本 課程 設計現(xiàn)場主控部件較為理想，它主要完成變頻器的邏輯控制。 (2)它 針對行業(yè)的發(fā)展趨勢增加了很新的特點。 QUANTUM系列 PLC兼容： MODICON 98 58系列， SQUARE D SYMAX系列。 (3)具有無與倫比的網(wǎng)絡連接能力，特別是應用于 MODBUS PLUS網(wǎng)絡的站間通訊技術，其快速、準確、可靠的性能充分滿足 系統(tǒng)控制要求。 (5)系統(tǒng)構(gòu)成擴展方便抗干擾性能好 。它包括對泵站主機運行參數(shù)的測量、控制、保護、相應的輔助設備、以及水情數(shù)據(jù)的收集處理。 軟件 及網(wǎng)絡通訊 設計 下位機軟件 PLC 程序的錄入可采用編程器完成 ,但這種方 式給稍大一些的程序調(diào)試帶來了困難。本設計 采用 QUANTUM 系列可編程控制器， 軟件編程。在手動模式下所有動作由操作人員控制，自動模式下各個目標參量由人工設定，而 PLC 則根據(jù)目標參量自動進行調(diào)節(jié)。當氣 動條件（電源正常，水池水位正常，水泵無故障、變頻器無故障等 ）全部具備時，該水泵方能起動。當 系統(tǒng)出現(xiàn)故障發(fā)出緊急停機 信號時， PLC 立即實施全系統(tǒng)緊急停機。 CONCEPT 編程軟件的特點： (1)方便用戶編程 CONCEPT 符合 IEC11313 編程語言標準并支持 5 中 IEC 標準語言：梯形圖（ LD）、順序功能圖 （ SFC） 、功能塊圖（ FBD）、結(jié)構(gòu)化文本（ ST）、指令表（ IL），還支持 LL984 梯形圖語言。 (2)功能強大 CONCEPT 為編程者提供生成派生 功能塊或 DFB（導出功能塊）標準庫的功能，并可在 CONCEPT 應用程序中反復調(diào)用。 (3)修改方便 標準應用編碼的模塊化和復用性使 CONCEPT 成為高效的編程環(huán)境。 (4)具有離線仿真功能 。用戶應用系統(tǒng)由主控窗口，設備窗口，用戶窗口，實時數(shù)據(jù)庫，和運行策略五部分組成，三種基本類型構(gòu)件（設備構(gòu)件、動畫構(gòu)件、策略構(gòu)件）完成MCGS 三大功能部分（設備驅(qū)動、動畫顯示、 流程控制）。 系統(tǒng)監(jiān)控畫面采用層次型結(jié)