??? 摘 要： 利用工業(yè)組態(tài)軟件" title="組態(tài)軟件">組態(tài)軟件強大的人機界面功能和靈活實用的網絡功能，結合工業(yè)以太網" title="工業(yè)以太網">工業(yè)以太網技術在組網中方便可靠的特性，設計了一個自來水廠的自動監(jiān)測系統。
??? 關鍵詞： 組態(tài)軟件? 工業(yè)以太網? 可編程序控制器? 局域網
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??? 自動化技術廣泛深入自來水行業(yè)是近年來水廠工藝發(fā)展最顯著的特點。伴隨著水廠自動化技術、系統控制設備和機電儀表的發(fā)展,濾池自動化、加藥智能化、泵站自動化、水質檢測自動化逐步成熟,水廠自動化在國內已具備較好的技術環(huán)境。
??? 本設計采用先進的PLC + PC 結構的集散控制系統，使用標準工業(yè)組態(tài)軟件構筑上位機" title="上位機">上位機系統，并運用目前最先進的工業(yè)以太網技術來組成網絡。此種結構的控制系統經濟、實用，很適合南方一些中小型自來水廠的自動化系統的建設和改造，并且穩(wěn)定性好、擴展性強、操作簡便，有很好的發(fā)展前景。
1 系統總體設計
??? 本設計以太湖之濱某鎮(zhèn)級自來水廠的自動化改造為對象，目前日供水量為4萬噸級，水廠廠區(qū)呈長方形，制水設備分布比較分散，在廠區(qū)外還設有增壓泵站和多個測壓點。所以在系統設計過程中，應該注意數據采集" title="數據采集">數據采集地點的合理選取，做到既能縮短各類變送器同數據采集站點的距離，減少干擾，又能盡量減少數據采集站點的數量，在數據傳輸過程中應充分引入抗干擾措施。同時要求有良好的人機交互界面，數據的顯示與保存有很好的完整性和實時性，此外，還應考慮系統便于拓展、易于實現，能為以后水廠發(fā)展和系統擴建打好基礎。設計的系統結構如圖1所示。上位機使用PC機自帶的網卡，下位機數據采集站使用與Quantum系列PLC配套的工業(yè)以太網模塊。此工控局域網為積木式揉性結構，便于網絡延伸和拓展。在辦公樓安置一臺工業(yè)交換機作為交換節(jié)點。另外根據要采集的數據的類型和多少來確定每個PLC數據采集站點需要的I/O模塊，原則是既要滿足當前系統的需要，又要為將來可能的系統擴展留下余地。
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??? 將全廠要采集的數據集中到三個數據采集站點：位于加藥間的1#PLC為一號數據采集站點，負責采集加藥間、消毒間、進水口以及廠區(qū)外的一個增壓泵站和三個測壓站的數據；位于消毒間附近的2#PLC為二號數據采集站點，負責采集平流沉淀池、濾池以及排污池的數據；位于二泵房的3#PLC為三號數據采集站點，負責采集二泵房、配電房的數據和出廠水的水質參數。這些數據被采集到PLC站點后，經過一定的濾波處理通過網絡傳到位于加藥間的作為數據服務器的PC機上，這臺安裝有工業(yè)組態(tài)軟件的PC機是24小時連續(xù)運行的，除了能實時顯示水廠數據外，最重要的功能是將采集來的數據和報警信息等進行存儲，形成數據庫。位于水廠辦公樓的其他多臺安裝組態(tài)軟件的PC機作為系統中的客戶端，也運行上述組態(tài)軟件，既可以實時查看水廠全部生產數據，也可以查看服務器上的歷史數據，以指揮生產和調度。
2 下位機的設計
??? 下位機數據采集站點使用Quantum系列PLC，在多臺PC機和三臺PLC數據采集站點之間使用光纖工業(yè)以太網來進行數據的傳輸，具有較高的傳輸速度及較好的可靠性和實時性，它比一般的DCS系統更容易實現和擴展；比現場總線技術有更好的傳輸速率，而且利用普通PC機的網卡，降低了成本。
??? 本系統中要采集的數據量比較多，在數字量方面，主要監(jiān)控水廠中各類電機、抽水泵（如進/出水水泵、加藥間提升泵、計量泵）和各類閥門的運行狀態(tài)等，在獲取這些數字量時，適當進行信號隔離；在模擬量方面，使用優(yōu)質探頭式液位變送器監(jiān)測平流沉淀池、清水池、濾池等的液位，使用超聲波液位計監(jiān)測原藥池等具有腐蝕性液體的液位，在對水質參數如余氯值、水濁度等監(jiān)測時，使用具有網絡通訊功能的智能水質監(jiān)測儀表。各類變送器和水質儀表的輸出信號為4mA～20mA的電流信號，它直接通過屏蔽電纜進入最近的PLC數據采集站，并通過PLC程序的軟件濾波技術進行濾波，獲得精確可靠的數值上傳到服務器中顯示和保存。
??? 在傳輸介質方面，由于服務器所在的加藥間距離辦公樓和二泵房等站點較遠，雙絞網線的傳輸距離無法達到；且廠區(qū)開闊,夏季多有雷雨，為此使用衰減小、抗干擾性強的光纖來進行傳輸，這樣數據就有了一個高速、可靠的傳輸通道。
??? 由于廠區(qū)外的增壓泵站和多個測壓站距離水廠較遠，所以選用數傳電臺" title="數傳電臺">數傳電臺進行無線傳輸，將傳來的數據傳入1#PLC數據采集站點，由此并入工業(yè)以太網系統。以數傳電臺為基礎的無線傳輸系統的結構如圖2所示。
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??? 在廠外增壓泵站和測壓站的現場使用施奈德的Twido系列PLC進行數據采集，然后通過RS485總線將數據經由數傳電臺傳出去。位于廠區(qū)內的數傳電臺作為主站，主要負責接收廠區(qū)外的幾個數傳電臺的數據，它采用輪詢方式與幾個作為從站的數傳電臺進行通訊，取得所需要的數據，再經由485總線將數據導入Quantum PLC并進入到工業(yè)以太網當中。
3 上位機的設計
??? 上位機的主要工作是創(chuàng)建良好的人機界面，實現數據的顯示、存儲和傳輸等功能，并要求有一定的組網功能。目前最流行的人機界面產品就是標準工業(yè)組態(tài)軟件。
??? 工業(yè)組態(tài)軟件是一種集數據采集與過程控制為一體的專用軟件，它能支持各種工控設備和常見的通信協議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。目前國內廣泛使用的工業(yè)組態(tài)軟件有以INTOUCH、IFIX為代表的進口高端產品和以MCGS力控軟件和組態(tài)王為代表的在國內工控界比較有影響的民族品牌。國產組態(tài)軟件同樣提供了資源管理器式的操作主界面，具有豐富的圖形、圖表功能和很強的網絡功能，由于具有卓越的性能，也被國外的廠商所采用。
??? 標準組態(tài)軟件的網絡結構通常是一種柔性結構，用戶可以根據系統需要設立專門的I/O服務器、歷史數據服務器、報警服務器、登錄服務器和WEB服務器等。它完全基于網絡的概念，是一種真正的客戶/服務器模式，支持分布式歷史數據庫和分布式報警系統，可運行在基于TCP/IP網絡協議的網上，使用戶能夠實現上、下位機互連以及更高層次的廠級連網。
??? 本設計上位機中的網絡結構如圖3所示。
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??? 圖中服務器是位于加藥間的PC機，加載組態(tài)軟件。它充當整個網絡的I/O服務器、報警服務器、歷史數據服務器和登錄服務器等多種服務器，此PC機用來存儲自來水廠所有的數據?？蛻舳耸侵肝挥谵k公樓的其他若干臺PC機，同樣加載組態(tài)軟件，用來觀察全廠的實時數據和查詢服務器上的數據。
??? 通過組態(tài)軟件的網絡設置，從三個PLC數據采集站點上采集到的數據都將被傳輸到服務器上供存儲、調用或查詢。為了保證數據的完整性，采用兩種途徑來保存數據：
????(1)利用組態(tài)軟件提供的歷史數據保存功能，可以將數據以REC的格式存儲起來，它可供組態(tài)軟件內嵌的報表進行調用和顯示。
??? (2)利用組態(tài)軟件的ODBC功能，通過組態(tài)軟件的模板和記錄體功能將數據以設定的時間間隔傳入ACCESS數據庫文件中，并可分門別類地生成各式日報表、月報表、年報表等，并可利用ACCESS數據庫的功能建立查詢功能。
??? 這兩種數據保存方式可以并行運行，互為備份，特別是通過第二種方式可以建立一個完整的水廠數據庫，為未來水廠管理系統的升級提供很好的基礎。
??? 在上位機畫面的制作過程當中，充分利用了組態(tài)軟件本身提供的各種功能，做到美觀、簡潔、實用。作為示例，圖4為其中一個加藥間的畫面。
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??? 從圖4可以清晰地觀察到模擬量數據的實時變化，并伴有動態(tài)顯示。數字量數據如提升泵、計量泵的運行狀態(tài)由泵身的顏色變化來顯示。另外管道里的水流情況也可以動態(tài)顯示，例如1#提升泵運行，則相應的水管里會出現藥液的流動情況。
??? 系統中對個別的數據或畫面采取了保護措施，在系統中設置兩級管理員模式，對它們設置不同的管理權限，只有最高級別的管理員才可以查看這些重要的數據或畫面，管理員可以通過畫面右下方的按鈕進行登陸或者退出，管理員的密碼也可以進行設置和更改，充分保證了數據的安全性。
??? 該系統的另外一個特點就是可以實時監(jiān)測全廠設備的運行情況。如果設備出現故障，不但畫面上設備本身會變成黃色并且閃動，而且畫面上方的報警燈也會閃爍，之后還會有一黃色條幅出現，告訴值班人員出現故障的設備，并且開始播放報警音樂，同時這些故障的數據也會存入到專門的ACCESS數據庫中，供其他人員查閱。
??? 系統中還加入了歷史數據的查詢功能，它通過表格和曲線圖兩種方式實現。系統不但能實時顯示當日從0時以來的所有數據，還可以根據需要查詢系統運行以來任何一天的數據并自動生成日報表，供工作人員查閱、打印。?
??? 自系統投入使用以來，各數據采集站點的設備均運行正常，上位機二次開發(fā)的應用軟件以其美觀、清晰、直觀的操作界面受到用戶的好評。數據的采集、傳輸和保存有很好的完整性。提高了水廠的自動化和信息化水平，大大減輕了水廠工人的勞動強度。
??? 本設計充分滿足了用戶水廠的監(jiān)控要求，搭建了很好的自動化監(jiān)控平臺；該系統中應用的組態(tài)軟件和工業(yè)以太網技術從根本上提升了自動控制系統的性能，而且表現出更好的傳輸效率和可靠性；以其積木式柔性結構的網絡特點為集散控制系統在水廠自動化改造中的成功應用提供了范例，也可以作為一種通用的技術推廣到電力、石化、鋼鐵等行業(yè)中去。
參考文獻
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