论文部分内容阅读
[摘要] 本文介绍了以新型的控制方式、通信方式,解决总站恒压供水、智能从站采水的问题,充分体现了控制系统的灵活性、以及“无人值守”自动控制的优点。控制主站、从站采用西门子PLC控制,稳定可靠、处理能力强。HMI部分采用了北京三维力控科技有限公司开发的组态软件力控,提供了OPC接口,用来完成整个系统的调度功能,可以显示现场设备运行情况,实现历史数据存储,报警输出,报表打印等功能。
[关键词] 恒压供水 力控 PLC控制器 第三代数字通信(3G)
一、引言
由于政府的大力支持以及近几年来电信部门对第三代数字通信(以下简称3G)的大量投入,使得无线通信速率和网络覆盖率大大提高。因为3G网络具有良好的向下兼容性(比如2.5G—GPRS和2.75G—EDGE以及CDMA 1X等),所以网络又有极好的稳定性和完美的无缝覆盖。基于“集中管理,分散控制”的模式,数字化、信息化环保工程的思想,从而设计了这套基于3G网络的恒压供水控制系统,并着眼于“管控一体化”信息系统的建设,建立一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视、无线网络控制和计算机控制于一体并且具备良好开放性的监控系统,完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制,实现“现场无人值守,少人值班,智能调节”的目标。
二、系统构成
基于3G网络的恒压供水系统由三部分组成:调度主站及HMI管理部分、远程水源从站部分、3G数据传输部分,各部分功能如下:
1、调度主站及HMI管理部分:主站CPU226实时采集液位、流量、压力等模拟数据,采用PID控制方式控制多台水泵的工频、变频切换,实现了恒压供水的控制。管理功能强大,能够定时通过“3G网络数据传输部分”向“远程水源从站”CPU222发送控制、轮询命令。HMI管理拥有人性化的集中管理界面,直观、方便,可以完成自动手动控制、报警控制、数据管理、报表管理等功能。
2、远程水源从站部分:从站采用小型PLC-CPU222控制,可以实现手动/自动控制切换,可以完成远程就地控制,并且可以完成长期无人值守。
3、3G网络数据传输部分:采用1个主站无线MODEM模块,3个从站DTU模块,共4张SIM卡,租用中国移动TD-SCDMA(或中国联通WCDMA,中国电信CDMA 2000)的无线数字通信通道,包月上网。
三、控制方案
主站CPU226通过超声波液位计探测集水池连续液位,并根据各站水泵给水能力实时判断开启一组或多组水泵。为保障水泵寿命设计制作了一开泵矩阵,令水泵轮流给水,并根据管道的延迟,利用二次仪表的回差功能在所设定液位到达前自动停泵。主站实时判断从站是否出现设备故障及通讯故障,如出现故障即采取声光报警、解锁,清除从站水泵开泵条件,并在上位机显示记录。另外操作显示屏显示集水池水位、每台泵的备妥信息(设备通电并准备好)、应答状态(设备运行与否)、故障信息等,操作显示屏上还设置了单台泵的启/停按钮、每组泵的手动/自动切换按钮、每组水泵的启/停按钮及外输泵的启/停按钮等,操作开关均有手动/自动状态可选择。显示屏上的指示灯指示泵的运行状态、报警信息及状态(显示屏上所有信息均作为上位计算机系统的后备系统)。从站的扩展模拟量输入模块采集水泵工作电流,开关量模块检测运行状态、报警状态。每个从站作为实时控制系统的一个节点,实时监听主站的操作命令,并将设备的状态信息发送给主站。若有异常,立即停泵,并将信息在主站轮询过程中发回给主站,同时将主站开泵操作命令清除。3G通信模块负责数据的上传及下发。上位机负责从主站读取数据并以人性化的图形界面显示并存储,将各模拟量信息以曲线方式加以记录,开关量信息以表格方式加以记录;记录报警信息、原因、时间等。操作人员可通过上位机上的软操作按钮手动开启某一组或多组子站水泵。该机自动生成班、月报表,并将数据(实时、历史、报警)采用OPC方式通过局域网上传给调度站。
综上所述,系统在功能、控制原理上分五个功能单元组成:数据处理单元、报警处理单元、报表处理单元、通讯单元和自动控制单元。
四、系统实现
1、基于3G网络的通信
(1)网络系统组成
A、无线业务处理中心:处理无线终端设备(无线业务终端、RTU+DTU等无线终端设备)提交的各项业务数据。
B、无线调制解调器(MODEM):调制解调无线业务处理中心和无线网络间的业务数据。
C、基于3G通讯的无线网络:无线数据传输平台。
D、基站:连接无线端设备和无线通信内部网络的节点。
E、无线终端设备:可以是无线终端(如书店的库存管理终端、零售店的库存管理终端等),可以是嵌入式应用中的DTU+各类嵌入试检测控制设备(RTU:比如环境检测设备、油田检测设备、污水检测设备等)。
图1系统网络拓扑图
(2)第三代数字通信系统处理流程
A、无线业务处理中心:通过无线MODEM登录到无线网络,获得无线网络分配的静态(IP地址和手机卡绑定)的全局IP地址。接受无线终端设备的业务处理请求或主动向无线终端设备发起业务处理请求。
B、无线终端设备(DTU):从IP地址服务中心获得无线业务处理中心IP地址,链接无线业务处理中心,请求无线业务处理服务;或等待无线业务处理中的业务处理请求。
C、無线MODEM作为通讯主站,通过RS485口接到CPU226上; 各无线终端设备作为通讯从站,通过RS485口接到CPU222上。CPU226发送通讯数据包给无线MODEM,无线MODEM依次轮询各无线端末设备,CPU222把信息反馈给终端设备,从而实现了无线通信传输。
2、上位机监控系统
计算机技术及通信技术的飞速发展,为工业开辟了广阔的发展空间,“力控”作为一个高效的监控系统,把核心监控功能作为一个对象封装起来,是一套恒压供水控制系统的管理中心、调度中心。可以完成整个系统的调度功能,显示现场设备运行情况,实现历史数据存储,报警输出,报表打印等功能,并提供OPC接口与远方调度站进行实时数据通讯。“力控”安装在一台工控机上,通过显示卡将监控画面显示在显示器上,画面实时显示监控内容,上位机监控系统如图2所示。
图2上位机监控系统
五、结束语
本系统采用了先进的HMI管理,计算机控制,PID控制步进控制技术,同时还运用了最先进的无线数字通信技术3G,可与有线局域网(LAN)以及普通无线网(WLAN/WIFI)完美结合,保证了系统在各种环境下的可靠运行。本系统可以很好地解决大量居民的用水问题,而且采用的设备成本较低,从而降低企业的成本,可谓一举多得。主要可用于民用、工业集中采水供水系统。减少了人力成本,实现了复杂的、高性能的过程控制,且理论依据充分。符合目前城市、工业供水需求及相关标准,宜广泛推广。
参考文献:
[1]邵惠鹤主编,工业过程高级控制,上海交通大学出版社,1997.
[2]通用分组无线业务(GPRS)技术与应用,人民邮电出版社,2004.
[3]劳动和社会保障部教材办公室,自动控制技术,中国劳动社会保障出版社.
[4]劳动和社会保障部教材办公室,现场总线技术应用,中国劳动社会保障出版社.
[关键词] 恒压供水 力控 PLC控制器 第三代数字通信(3G)
一、引言
由于政府的大力支持以及近几年来电信部门对第三代数字通信(以下简称3G)的大量投入,使得无线通信速率和网络覆盖率大大提高。因为3G网络具有良好的向下兼容性(比如2.5G—GPRS和2.75G—EDGE以及CDMA 1X等),所以网络又有极好的稳定性和完美的无缝覆盖。基于“集中管理,分散控制”的模式,数字化、信息化环保工程的思想,从而设计了这套基于3G网络的恒压供水控制系统,并着眼于“管控一体化”信息系统的建设,建立一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视、无线网络控制和计算机控制于一体并且具备良好开放性的监控系统,完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制,实现“现场无人值守,少人值班,智能调节”的目标。
二、系统构成
基于3G网络的恒压供水系统由三部分组成:调度主站及HMI管理部分、远程水源从站部分、3G数据传输部分,各部分功能如下:
1、调度主站及HMI管理部分:主站CPU226实时采集液位、流量、压力等模拟数据,采用PID控制方式控制多台水泵的工频、变频切换,实现了恒压供水的控制。管理功能强大,能够定时通过“3G网络数据传输部分”向“远程水源从站”CPU222发送控制、轮询命令。HMI管理拥有人性化的集中管理界面,直观、方便,可以完成自动手动控制、报警控制、数据管理、报表管理等功能。
2、远程水源从站部分:从站采用小型PLC-CPU222控制,可以实现手动/自动控制切换,可以完成远程就地控制,并且可以完成长期无人值守。
3、3G网络数据传输部分:采用1个主站无线MODEM模块,3个从站DTU模块,共4张SIM卡,租用中国移动TD-SCDMA(或中国联通WCDMA,中国电信CDMA 2000)的无线数字通信通道,包月上网。
三、控制方案
主站CPU226通过超声波液位计探测集水池连续液位,并根据各站水泵给水能力实时判断开启一组或多组水泵。为保障水泵寿命设计制作了一开泵矩阵,令水泵轮流给水,并根据管道的延迟,利用二次仪表的回差功能在所设定液位到达前自动停泵。主站实时判断从站是否出现设备故障及通讯故障,如出现故障即采取声光报警、解锁,清除从站水泵开泵条件,并在上位机显示记录。另外操作显示屏显示集水池水位、每台泵的备妥信息(设备通电并准备好)、应答状态(设备运行与否)、故障信息等,操作显示屏上还设置了单台泵的启/停按钮、每组泵的手动/自动切换按钮、每组水泵的启/停按钮及外输泵的启/停按钮等,操作开关均有手动/自动状态可选择。显示屏上的指示灯指示泵的运行状态、报警信息及状态(显示屏上所有信息均作为上位计算机系统的后备系统)。从站的扩展模拟量输入模块采集水泵工作电流,开关量模块检测运行状态、报警状态。每个从站作为实时控制系统的一个节点,实时监听主站的操作命令,并将设备的状态信息发送给主站。若有异常,立即停泵,并将信息在主站轮询过程中发回给主站,同时将主站开泵操作命令清除。3G通信模块负责数据的上传及下发。上位机负责从主站读取数据并以人性化的图形界面显示并存储,将各模拟量信息以曲线方式加以记录,开关量信息以表格方式加以记录;记录报警信息、原因、时间等。操作人员可通过上位机上的软操作按钮手动开启某一组或多组子站水泵。该机自动生成班、月报表,并将数据(实时、历史、报警)采用OPC方式通过局域网上传给调度站。
综上所述,系统在功能、控制原理上分五个功能单元组成:数据处理单元、报警处理单元、报表处理单元、通讯单元和自动控制单元。
四、系统实现
1、基于3G网络的通信
(1)网络系统组成
A、无线业务处理中心:处理无线终端设备(无线业务终端、RTU+DTU等无线终端设备)提交的各项业务数据。
B、无线调制解调器(MODEM):调制解调无线业务处理中心和无线网络间的业务数据。
C、基于3G通讯的无线网络:无线数据传输平台。
D、基站:连接无线端设备和无线通信内部网络的节点。
E、无线终端设备:可以是无线终端(如书店的库存管理终端、零售店的库存管理终端等),可以是嵌入式应用中的DTU+各类嵌入试检测控制设备(RTU:比如环境检测设备、油田检测设备、污水检测设备等)。
图1系统网络拓扑图
(2)第三代数字通信系统处理流程
A、无线业务处理中心:通过无线MODEM登录到无线网络,获得无线网络分配的静态(IP地址和手机卡绑定)的全局IP地址。接受无线终端设备的业务处理请求或主动向无线终端设备发起业务处理请求。
B、无线终端设备(DTU):从IP地址服务中心获得无线业务处理中心IP地址,链接无线业务处理中心,请求无线业务处理服务;或等待无线业务处理中的业务处理请求。
C、無线MODEM作为通讯主站,通过RS485口接到CPU226上; 各无线终端设备作为通讯从站,通过RS485口接到CPU222上。CPU226发送通讯数据包给无线MODEM,无线MODEM依次轮询各无线端末设备,CPU222把信息反馈给终端设备,从而实现了无线通信传输。
2、上位机监控系统
计算机技术及通信技术的飞速发展,为工业开辟了广阔的发展空间,“力控”作为一个高效的监控系统,把核心监控功能作为一个对象封装起来,是一套恒压供水控制系统的管理中心、调度中心。可以完成整个系统的调度功能,显示现场设备运行情况,实现历史数据存储,报警输出,报表打印等功能,并提供OPC接口与远方调度站进行实时数据通讯。“力控”安装在一台工控机上,通过显示卡将监控画面显示在显示器上,画面实时显示监控内容,上位机监控系统如图2所示。
图2上位机监控系统
五、结束语
本系统采用了先进的HMI管理,计算机控制,PID控制步进控制技术,同时还运用了最先进的无线数字通信技术3G,可与有线局域网(LAN)以及普通无线网(WLAN/WIFI)完美结合,保证了系统在各种环境下的可靠运行。本系统可以很好地解决大量居民的用水问题,而且采用的设备成本较低,从而降低企业的成本,可谓一举多得。主要可用于民用、工业集中采水供水系统。减少了人力成本,实现了复杂的、高性能的过程控制,且理论依据充分。符合目前城市、工业供水需求及相关标准,宜广泛推广。
参考文献:
[1]邵惠鹤主编,工业过程高级控制,上海交通大学出版社,1997.
[2]通用分组无线业务(GPRS)技术与应用,人民邮电出版社,2004.
[3]劳动和社会保障部教材办公室,自动控制技术,中国劳动社会保障出版社.
[4]劳动和社会保障部教材办公室,现场总线技术应用,中国劳动社会保障出版社.