基于以太网和现场总线的分布式系统集成设计.pdf

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1、技改与创新化工自动化及仪表，2 0 1 0，3 7(1 1)：9 9 1 0 2C o n t r 0 1 卸dI n s t 八l m e n t si nC h e m i c a lI n d u s t r y基于以太网和现场总线的分布式系统集成设计蔡永昶(顺德职业技术学院电子与信息工程系，广东佛山5 2 8 3 0 0)摘要：针对某水厂扩(改)建对原有监控系统集成升级的需要，设计和开发了开放式的分布式控制系统。采用s 7 3 0 0P L c 作为底层硬件，i n X 作为上位机监控平台，使用基于光纤以太网和P 旆b u s 现场总线的网络结构，实现该厂监控系统的集成、升级和管控一体

2、化。详细介绍了系统的集成方案、硬件选配、软件设计及水泵优化运行的控制方案。系统稳定、可靠、易于扩展且移植、数据传输速度快，同时，在应用中达到良好的节能效果。关键词：系统集成；光纤以太网；s 7-3 0 0P L c；i n x；水泵节能控制中图分类号：1 玛9 3文献标识码：B文章编号：1 0 0 0-3 9 3 2(2 0 1 0)1 l 删9 J D 41引言随着城市规模的不断扩大和城市工业的高速发展，城市用水量急剧增长。另一方面，随着人们生活改善，对水质的要求越来越高，更希望自来水可以直接饮用。某水厂建于8 0 年代，经过多次建设，现有供水规模为3 2 1 0 4m 3 d，有3 个车间

3、使用国外早期的监控系统，具有一定的自动化水平，当前需要进行新一轮的扩(改)建，并引入先进的工艺和设备，以满足城市对供水量和水质的要求。扩建规模2 0 1 0 4 m 3 d，使其供水规模达到5 2 1 0 4 m 3 d，预加c l：工程内容主要包括五个车间和两个清水池，五个车间分别为配水泵房车间、V 型滤池车间、预处理车间、加药车间、污泥处理车间。扩(改)建完成后水厂工艺流程如图1 所示。该厂原有三个车间使用的监控系统为国外早期产品，由于采用了两种不同的工控产品，并且通信网络落后、系统扩展性差、数据传输慢、维护成本高。本文结合该厂扩(改)建对监控系统的建设需要，介绍该厂分布式监控系统的集成设

4、计方案、硬件配置和软件设计。0，混凝剂P A C助凝剂P A M原水叫配水溢流并H 格栅H 预臭氧接触池H 机械混合池H 絮凝池H 平流沉淀点掣N H，消毒加c 1：H：0：O，图l 水厂水处理工艺流程图2 控制要求老厂已建的三个子车间，送水泵房和普通快滤池两个车间的底层控制器采用了日本三菱A 系列P L C 和系列P L C；V 型滤池车间底层控制器采用了A B B 公司的M O D C E L LP L c，车间级监控平台采用澳洲C i T 公司的C i t e c t 系统。上位机系统为澳大利亚L O G I c A 公司的M O s A I c 系统，这是一个运行在u N I X W

5、i n 曲嗍N T 下的大型监控平台软件，通过内部的s Q L 数据库来记录系统的有关数据和控制指令事件。厂方要求，为减少重复投资，新厂监控系统和老厂监控系统要能够相互集成，实现对全厂生产现场设备的状态(设备的开、停、故障报警，阀门的开、关、到位等)、设备和仪表读数值(泵电机电流、泵出口压力、流量计的流量读数、水质在线检测仪检测值等)进行采集，向设备发出控制指令(设备开、停控制，阀门开、关控制等)和发出参数值指令(变频器输出频率给定值、滤池出水调节阀开度等)，同时还要与地方水务集团生产调度中心(监控平台为澳洲I D G I c A 公司的M O s A I c 系统)实现双向数据通信。使扩(改

6、)建后的新厂成为具有先进生产设施和较高自动化水平的现代化水厂。收稿日期：2 0 l O J D 9 旬8(修改稿)万方数据1 0 0 化工自动化及仪表第3 7 卷3 系统组成及硬件结构3 1系统组成本监控系统采用了西门子公司的中型P L C s 7 3 0 0 系列P L c 作为底层硬件，该系列P L C 是西门子公司为中大型应用场合(I O 点数达6 55 3 6)而设计的，采用模块化设计，可与其它的功能模块进行灵活的组合和扩展，控制器内集成了P r o 硒u s-D P 和R S 4 2 2 R s 4 8 5 等多种通信接口，可方便地与其它智能仪表和设备进行通信，可加配S I M A，

7、I I C 内存卡以满足数据存储需要。监控中心采用功能完善、运行可靠的美国通用电气公司的i F I x3 0 作监控软件。网络结构使用基于T c P I P 协议的光纤以太网(监控中心系统和各车间子站之间)和基于P r 0 胁u s 协议的工业现场总线网(车间站内P L C 之间、P L C 与智能设备如变频器、智能仪表等之间)。j。监控系统组成及网络结构如图2 所示。图2 监控系统组成及网络结构图3 2 控制子站的硬件设计根据集散控制系统集中管理、分散控制的特点，在扩(改)建的5 个生产车间设置监控子站，各子站选用C P u 3 1 5 2 D P 作为控制器，配备通讯模块C P 3 4 3

8、 1。C P U3 1 5 3 1 5-2 D P 具有中到大规模程序容量，可直接连接到P r 0 6 b u s 网络作为分布式控制的单元；c P 3 4 3 1 为标准工业以太网处理器，自动适应1 0M 1 0 0M 的网络传输，它的作用是把s 7-3 0 0P L C 连接到P 柚b u s 网络，并进行独立的通讯处理，减轻主c P u 的负担，提高通讯的效率和可靠性。考虑到虑池车间各个滤格需要监控的设备和参数少、数据处理量不大，选用c P u 2 2 6 作为控制器，并通过通讯模块E M 2 7 7 连接P m 胁u s 网络。各子站配备西门子M P 3 7 01 2 寸或T P l

9、7 0 B6 寸触摸屏作为H M I操作界面，完成对各车间站内所有仪表设备的的现场操控，同时为上位机提供数据备份，使系统具备远程就地、自动手动的控制方式。各子站根据需要扩展数字量输入模块S M 3 2 1、数字量输出模块s M 3 2 2、模拟量输入模块s M 3 3 1、模拟量输出模块s M 3 3 2。若模块数多于8 个，可通过接口模块I M 3 6 0 3 6 1 进行扩展，I M 3 6 0 3 6 1 连接的机架最远距离为1 0m，最多可扩展4 个机架、3 2 个模块。下面以配水泵房车间为例说明各子站的硬件配置和结构图，如图3 所示，S 7-3 0 0P L C 通过P 尚b u s

10、 D P 总线与远程变频器相连，采用轮询的方式进行通讯；通过串口通信模块c P 3 4 1 和R s4 8 5 总线与相距较近的温度巡检仪、智能综保器等智能仪表相连，采用M o d b u s 协议进行通讯o J。3 3 监控集成方案老厂已建成的三个自控系统的车间子站，由于已具备了完善的监控功能，因此仅需将三个车间子站与监控中心进行通信集成即可。具体解决方案为：在老厂配水泵房子站和普通快滤池子站，将车间内主P L c 控制器三菱A 系列P L c 配置以太网模块，实现与新监控系统的联网；老厂V 型滤池控制系统，采用“A B BP L C+监控计算机(运行C i t e c t软件)”的结构，该

11、监控计算机已运行多年，功能无法满足现在监控要求，为此，用带以太网接口的P C机进行升级，用O P C 方式实现该子站与监控中心的通信口1。在监控中心系统，参照老厂原有的监控操作界面，在i F 上组态生成上述三个车间子站新的监控操作界面，从而实现新老系统的监控集成。原有上位机系统不再作为上位机监控服务器，其监控任务将全部转移到新的监控中心i 兀x 服务器上，由于运行与水务集团调度系统相同的M O s A I C 系统，可以通过广域网(I P 城域网)进行内部的数据交换，所以用作与水务集团调度系统的通信服务器，从而实现监控系统与水务集团的通信集成。万方数据第1 1 期蔡永昶基于以太网和现场总线的分

12、布式系统集成设计1 0 1 图3 配水泵房车间子站P L c 配置及结构图4 配水泵的节能优化控制方案据统计，在自来水的制水成本中，动力费用约占5 0，因此要降低成本、提高经济效益，必须提高机泵设备的运行效率。本系统的配水泵房车间配置5台型号规格一样的大型离心泵，其中3 台调速泵和2 台定速泵，采取并联的组合运行方式，为使并联后的水泵运行满足供水指标要求，确保调速泵运行在最佳工作区，并使耗能最省，开发水泵能耗控制管理子系统4 5 1。水泵能耗控制管理子系统根据对未来3 4 天内给定时间段的用水量(Q：)和出口扬程(见)的预测，采取以耗能最少为目标的最优控制策略，对泵组进行最佳搭配，自动调节调速

13、泵的速度。本系统中对泵组的节能控制基于以下的数学模型实现“1。(1)目标函数。儿。=M j n(q 彤)=l式中：商。，M，肛一某一工况下的最小能耗、第-台水泵的轴功率和水泵总台数；i 运行状态因子，表示第，台泵的工作状态，状态1 表示工作，状态O 表示不工作。(2)系统状态方程组。由水泵的扬程、功率、效率和流量之间的关系，即水泵特性曲线方程可得：哆=吩一t 讲(2)M：出(3)q iQ j H i圹i 玎再面万百百瓦丽瓦而(4)式(2)一式(4)中：Q，E 第台水泵的工作流量、第台水泵的扬程；吩，q，K，第歹台水泵的拟合系数，通过实验测定，k，近似满足鲁=c D 瑚的关系；一第台水泵的转速护

14、，g，7，液体密度、自由落体加速度和第_ 台水泵的效率。水泵工作点必须沿管路特性曲线移动，管路特性曲线方程为：只=4+K 谚(5)式中：A，K 第台水泵的管道特征曲线系数。水泵转速由n。改变为n：时，根据离心泵的比例定律一1 可得：Q l厅1Q 2乃2(6)鲁=(鲁)2惫=(可(3)运行约束条件。约束条件的建立主要依据以下几个方面的因素，并联运行的肼台水泵要满足供水指标(Q：、皿)要求，即总出口扬程应与日。相等，总流量与Q。相等；水泵应运行在高效区附近，此时其轴功率才会最小；为保证安全运行和比例定律公式的适用，调速泵转速不能过高也不能过低，应约束调速比的上下限1 0 川。由此可得下面约束条件式

15、子：Q。=q Q(9)日-=幔=巩=见(1 0)叩一田“。(1 1)一岛 一。(1 2)式(1 1)、式(1 2)中：叼。7。水泵高效区左右临界条件；_|i 第_ 台水泵的工作转速和额定转速之比。除上述约束条件以外，在实际运行中，还要考虑最不利用水点要求的水压值、吸水井水位变化值、清水池水位变化值等因素的要求。通过求解上述方程，求得定速泵和调速泵最佳台数组合和调速泵的万方数据1 0 2 化工自动化及仪表第3 7 卷最佳调速比，经由生产监控系统控制泵组的启停和调节调速泵的变频器频率，从而实现水泵能耗最低。5 系统软件设计5 1 下位机软件设计下位机采用s I M A r r I C 公司的s T

16、 E P 7 进行软件编程，根据P L c 循环扫描的工作原理将复杂的自动化任务分解成可以反复使用的小任务，采用梯形图法编制相应的控制程序来执行。程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中，通过组织块(O B)、功能块(F B、F C)、系统功能块(S F B、S F C)、数字块(D B)等模块之间的调用，实现系统的数据采集、过程控制和保护等复杂的控制算法。根据现场设备及工艺流程的特点以及监控中心的远程指令，对液位、流量、压力等模拟量信号编写采样子程序、滤波子程序、量程转换子程序；对现场的电机、调节阀以及变频器等，根据其控制要求分别编写不同的控制子程序；根据需要编写自动手动无扰切换和失电保

17、护程序。以配水泵的控制为例，控制程序流程如图4 所示嵋”1。设置水泵强制停止策略开始榆查各台水泵运i 状态及报警信号读取水泵模拟冒输入，叶i 成撤警按水泵能耗拧制子系统设置水泉控制策略按用_ 广1 堂求设置水泉控制策略调用相应水泵控制模块统汁机时、积算电能图4 配水泵控制流程图5 2 监控中心软件设计中心监控系统完成对整个水厂监控数据处理、报警、历史数据保存和分析、数据w E B 处理、优化调度及水厂信息管理应用等功能，并将数据以友好的图形界面提供给用户，实现本地数据的备份以及生产数据的存储和共享。由s c A D A 模块、历史数据存储和接口模块、报警处理模块、w E B 处理模块、客户端终

18、端服务处理模块、通讯处理模块以及对外数据接口处理模块组成。其中，S C A D A 模块是整个中心站系统的核心软件，采集水厂各个监控子站的实时生产数据，生成实时数据库，建立整个水厂的s c A D A 数据服务器。各模块软件的设计和实现使用的软件平台主要有i F I x3 0、A s P N E T 和s Q Ls E R V-E R。i F 具有强大的s c A D A 功能，利用其强大的画面开发功能以及对V B A 的支持，可开发出符合用户操作习惯的监控界面u n l5 1。图5 所示为基于i F I x3 O 实现的监控运行界面。图5 反冲池过滤器人机界面6 结束语本系统得到成功应用，实

19、现水厂扩(改)建后新的监控系统与原有系统的良好对接和集成，减少重复投资；同时给出了水泵优化组合运行方案，实现节能控制，节省运营成本；通过与I n t e m e t 的连接，实现了水务集团远程调度的功能。本设计开发的基于工业以太网和P 旆b u s D P 现场总线的分布式监控系统，易于组网和扩展，现场设备的增减、移植方便灵活，具有远程、就地、手动、自动多种控制方式，很好地满足水厂当前和今后发展的需要，具有很好的推广应用价值。参考文献：1 崔坚丙门子工业网络通信指南 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 5 2 龚仲华s 7 捌3 0 0 4 0 0P L c 应用技术 M 北京：人民邮电出版

20、社2 0 0 7【3 张学军大型工业天然气压缩机站分布式监控系统 J 化工自动化及仪表，2 0 1 0，3 7(1)：1 0 5 1 0 8 4 全继萍，陈玩丰大涌水厂给水泵房改造节能总结 J 给水排水，2 0 0 2，2 8(4)：6 5 6 8 5 张亚新，李桦某热力站循环水泵优化组合的可行性计算与节能分析 J 暖通空调2 0 0 9，3 9(8)：1 2 5 1 2 7 6 c O H E NG o p t i I l l a lc o n 廿U l0 fw a t e rs u p p l yN e t W o r k s M O p t i I n i 翻血蛐dC 蚰h D lo f

21、D y l l a m i cO p e r a t i a lR e s e a r c h(下转第1 0 6 页)等i万方数据1 0 6 化工自动化及仪表第3 7 卷关系，因此影响测量精度。为解决此问题，根据其非线性变化规律计算出一定载荷范围的修正值，制成表存放在固定的区域中，在测得重量“真值”后找其对应的修正值进行修正，以进一步保证测量精度。里iA D 7 7 0 5 初始化趔：!：!JIj!：一读数据寄存器内数据_ 一匮囱匦圃I：一显示并发送给T 控机图5 数据采集处理流程图(3)称重数据稳定性判断。由于抓斗将物料放落到料斗秤的过程中会对秤斗有一定的冲击力，此时进行称量则质量要大于实际

22、质量；由于冲击力是一个变化的量，这给消除冲击力带来的测量误差造成一定的困难H 1。但由于码头上料和下料地点有一定距离，吊车在移动过程中存在着一定时间间隔，系统可以利用这段时间间隔完成物料的称量。吊车在移动过程中存在摆动，使传感器受力不稳定而影响测量精度，所以向工控机发送保存数据前必须进行数据的稳定性判断，步骤为：s t e p l：设定称重数据初始值埘。，：，设定稳定判断允许误差S P；S t e p 2：连续采样5 次，按由大到小顺序排列，取其中值作为测量数据蚝；S t e p 3：计算埘l=埘2 一加I，A 彬2=埘3 一加2，若埘I=埘2 一埘I s P 且埘2=埘3 一幻2 S P，则

23、伽=(埘。+训：+，)3 为最终测量值，转换显示并发送给工控机保存，并转s t e p 5；否则转s t e p 4；S t e p 4：埘l=加2，2=加3，转s t e p 2；s t e p 5：转S t e p l，继续下一次测量。在称量过程中，由于电子料斗秤内物料是没有变化的，所以系统实际是利用了静态秤的准确度完成了动态称重，称量误差可以控制在0 1 以内。4 结束语本系统是在某企业原有称重系统的基础上进行自动化改造而成，充分利用了已有称重设备，节省了项目改造成本。创新点有：(1)系统取消了吊机码头上专人负责吊机称重数据发送和启停吊机动力开关的重复机械操作，由计算机自动对称重结果进行

24、稳定性的智能判断，节省了劳动力，提高了生产效率。(2)系统将分布在不同现场的称重装置通过光纤、路由器等器件实现以太网联网，组成一个数据共享的局域网，实现了称重数据的网络监控。该系统还具有自动化程度高、成本低、精度高等特点，可以在热电厂、水泥厂和钢铁厂等企业中进行推广应用。参考文献：1 王明芳，廖伟杰浅谈汽车衡在使用中的维护和防雷措施 J 计量与测试技术，2 0 0 9，3 6(7)：4 4 4 5 2 宋连生汽车衡传感器的选用与仪表的配置 J 仪器仪表用户，2 0 0 9，1 6(5)：6 8 6 9 3 杨廷华微机控制自动称重系统 J 自动化与仪表，2 0 0 l。1 6(2)：5 6 5

25、7 4 王刚峰，郝继飞一种新型连续自动计量系统设计 J】计量技术，2 0 0 5，(1 1)：3 3 3 5 5 姚志祥网络技术在汽车衡称量上的应用 J 中国计量，2 0 0 3，(1 1)：5 0(上接第1 0 2 页)M 0 d e k N m t l IH 0 l l a n d 1 9 9 1 2 7 z H us h u n-d I i，w A N GY i I I g，x uw e i，c ta 1 O p t i m i 翻畦D e 8 咖dA p p l i c a t i 蚰0 fw 缸目p p l i e dN 咖惯hw 妯M l l l t i p l eW a 蛔-鲫l

26、 m 描B c d 彻n 蝴m p C I n t e l 瑚睡i 彻|lc。n f b r-C 砌a I I dA u(I C c A2 0 0 5)2 0 Q 5，(2)：1 2 4 2 一1 2 4 7 8】李国勇，张翠平，郭红戈，等最优控制理论及参数优化 M 北京：国防工业出版社，2 6 9 严登丰泵站工程 M 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 5 1 0 张惠艳，李彦军，黄良勇，等大型离心泵并联运行最优控制分析 J 给水排水，2 0 0 7，3 3(1 2)：l 一1 l O 张承慧，李洪斌，廖莉，等变频调速给水泵站效率最优控制策略 J 控制理论与应用，2 0 0 4，2 l(3

27、)：4 7 0 一4 7 4 王树东，靳雷，高敬更，等基于工业以太网和无线通信的水厂S c D A 系统 J 电气传动，2 0 0 9，3 9(6)：6 5 6 9 姚益群，张棋，宗彪基于i F i x 的火电厂辅助控制系统的集中监控 J 电力自动化设备，2 0 l O，3 0(4)：1 2 4 一1 2 6 文龙，张自辉，胡开胜，等S Q L 2 0 应用开发技术指南 M 北京：清华大学出版社，2 1 陈峰棋，俞彬深入浅出 S P N E l 程序设计 M 北京：中国水利水电出舨社，2 4 啪川埘r；rLr L万方数据基于以太网和现场总线的分布式系统集成设计基于以太网和现场总线的分布式系统集

28、成设计作者：蔡永昶作者单位：顺德职业技术学院,电子与信息工程系,广东,佛山,528300刊名：化工自动化及仪表英文刊名：CONTROL AND INSTRUMENTS IN CHEMICAL INDUSTRY年，卷(期)：2010,37(11)参考文献(15条)参考文献(15条)1.严登丰 泵站工程 20052.李国勇;张翠平;郭红戈 最优控制理论及参数优化 20063.ZHU Shun-ahi;WANG Ying;XU Wei Optimization Design and Application of Water-supplied Networks withMultiple Water-s

29、ources Based on Freemap 20054.COHEN G Optimal Control of Water Supply Networks 19925.张亚新;李桦 某热力站循环水泵优化组合的可行性计算与节能分析期刊论文-暖通空调 2009(08)6.全继萍;陈玩丰 大涌水厂给水泵房改造节能总结期刊论文-给水排水 2002(04)7.张学军 大型工业天然气压缩机站分布式监控系统期刊论文-化工自动化及仪表 2010(01)8.龚仲华 S7-200/300/400 PLC应用技术 20079.陈峰棋;俞彬 深入浅出ASP.NET程序设计 200410.文龙;张自辉;胡开胜 SQL Server 2000应用开发技术指南 200111.姚益群;张棋;宗彪 基于iFix的火电厂辅助控制系统的集中监控期刊论文-电力自动化设备 2010(04)12.王树东;靳雷;高敬更 基于工业以太网和无线通信的水厂SCADA系统期刊论文-电气传动 2009(06)13.张承慧;李洪斌;瘳莉 变频调速给水泵站效率最优控制策略期刊论文-控制理论与应用 2004(03)14.张惠艳;李彦军;黄良勇 大型离心泵并联运行最优控制分析期刊论文-给水排水 2007(12)15.崔坚 西门子工业网络通信指南 2005 本文链接：http:/