摘 要：基于組態王及多串口通訊提出了鐵路變頻恒壓供水監控系統的設計思想及實施方案，對系統控制和數據采集進行了闡述，對系統的組態設計進行了分析和研究。該系統已成功應用于鐵路供水，達到了自動控制，節能降耗的目的。 關鍵詞：多串口通訊;組態軟件;監控系統 0 引言 　　在鐵路供水中，由于管網地理位置分散，而控制系統要求可靠、安全，故常采取現場手動操作、人工抄表、電話報數等調度方法，所以采集信息數量少、處理慢、傳遞遲，遇上爆漏或火災等突發事故，反應遲鈍、損失擴大。這類監控方式技術比較落后，很難適應現代化的要求。因此基于先進的控制技術設計一套全自動在線監控系統是非常必要的。 　　濟南鐵路局兗州水電站供水所，負責車務段、電務段、機車負載荷實驗室、建筑工區、鍋爐房、鐵路學校、醫院、公寓、宿舍等的供水，供水任務繁重，對監控系統的安全、穩定性提出了更高的要求。本文介紹濟南鐵路局兗州水電站恒壓供水監控系統的設計與實現。 1 系統原理及硬件設計 　　1.1 硬件設計 　　兗州水電站供水所共有深水井四眼，1號、3號井深120米，2號、4號井深80米，5號井備用。共配有深水井潛水泵4臺，運行方式采用3用1備的方式，可實現任意3臺泵的自由變頻組合。出口壓力為恒壓0.33MPa（0～1MPa可調），啟動方式為自耦降壓啟動。 　　根據供水所的工藝要求，監控系統采用上、下位機組成的主從式控制系統[1]。在下位機選擇方面，系統選擇了專為工業控制設計的PLC，型號為歐姆龍公司的CPM2A。這是由于PLC采取了多層次抗干擾及精選元器件等措施，使其平均無故障時間通常在20000小時以上[2]。PLC 在監控系統中一方面控制控制系統的啟動、停止，變頻泵組的選擇，另一方面采集設備的故障、報警信號。同時PLC把系統的開關量信號傳送給工控機，監控軟件通過PLC完成對系統的控制和開關量信號的采集。在上位機選擇方面，系統選用ADVANTECH IPC 610工控機，以運行組態和監控軟件，實現對整個系統的檢測。 　　本監控系統中需要處理的模擬量信號分布于5個分散的水井和一個遠距離的水塔，被控對象較分散，若采用板卡方式集中控制，布線及施工難度大、造價高，且信號的傳遞距離有限，不能很好的滿足系統的信號采集要求。鑒于此，系統采用模擬量采集模塊，可以通過RS—485在現場組成信號采集網絡，然后通過RS—485轉RS—232模塊，與計算機進行串口通信，實現遠程分散信號的采集、傳輸[3]。 　　基于整個供水系統的節能、自動化、可靠性以及遠程監控的要求，本供水系統采用變頻恒壓控制的模式。鑒于泵組中泵的最大功率為22KW，且采用3用1備，循環變頻的運行方式。所以系統選用的變頻器功率為30KW。考慮控制和網絡遠程監測要求以及性能價格比，選用的變頻器為SAMCO-VM05 系列SPF-30K-C型。 　　由于CPM2A、SAMCO-VM05、ADAM-4017需要與上位機進行串口通訊以實現系統控制及數據采集，故采用研華PCL849A多串口卡來實現串口擴展。PCL849A卡提供了4個RS-232串口，可以滿足多臺設備的同時工作，并為以后的設備更新和升級提供接口。 　　因此本監控系統控制部分由ADVANTECH IPC 610工控機、CPM2A可編程控制器、SAMCIO-VM05專用供水變頻器等組成。信號采集部分用模擬量采集模塊ADAM-4017、水位變送器、流量變送器、電流變送器、電壓變送器等。電路由自耦降壓器、中間繼電器、交流接觸器、熱繼電器、空氣斷路開關等組成。 　　系統的啟停，各設備的故障、報警，變頻泵的選擇，開關量信號的采集通過可編程控制器實現。泵組的循環變頻，壓力設定通過變頻器實現。電壓、電流、水位、流量、壓力等信號由相應的傳感器采集，轉換為4～20mA的信號由模擬量采集模塊傳送到工控機。 　　在工控機上通過監控軟件完成整個系統的信號采集，實現泵的啟停、選擇等控制，以及各設備報警、故障的檢測、顯示。 　　在本恒壓供水系統中，由“自動啟動”按鈕控制可編程控制器輸入寄存器的值，當該按鈕動作后，PLC對4臺水泵的故障、4個深水井的下限報警以及余氯儀和變頻器的故障等進行檢測。若符合條件，PLC使變頻器多功能輸入端子DI1輸入有效，此時變頻器運行。由“1號泵選擇”按鈕控制PLC擴展模塊輸入寄存器的值。該按鈕動作后，PLC確認變頻器可對泵組進行變頻，使多功能輸入端子DI2輸入有效，1號泵被選中變頻運行。同理，2號泵，3號泵，4號泵以同樣的方式進入變頻工作模式。如果要求對泵組全部進行工頻運行，應使變頻器無法啟動。本供水系統利用變頻器IRF端子輸入壓力變送器采集到的管網中的壓力值，該壓力信號為4～20毫安的模擬信號。變頻器根據設定的壓力值，對采集到的壓力值進行處理，利用其內置的PID調節進行頻率設定。 　　1.2多串口通訊方式 　　監控系統中，工控機與PLC、變頻器、模擬量采集模塊是通過串口進行通訊，原理如圖1所示。串口擴展采用研華PCL849A卡來實現。PCL849A卡需要設置擴展串口的地址、使用的中斷、通訊速度以及操作系統的類型等，這些都通過板卡上的多組跳線來完成。在設定擴展串口的地址、中斷時，本文避免了操作系統已經使用的地址和中斷號。利用組態王設備驅動程序可方便地實現與現場控制設備的通訊。組態王串口類邏輯設備是其內嵌的串口驅動程序的邏輯名稱，對應著與計算機串口相連的實際設備，以動態鏈接庫的形式供組態王調用。 [align=center] 圖1監控系統通信原理[/align] 　　為使PLC與監控軟件建立通訊，需要對COM1口在監控軟件中通訊參數如波特率、奇偶校驗位、數據傳輸位等進行設定。CPM2A的I/O設備地址在組態王中的尋址范圍上限為31。CPM2A輸入輸出寄存器的在其編程軟件CX-Programmer中IR寄存器數據類型為離散性，在組態王中利用函數BIT（VAR，BITNO）讀取16個CPM2A的IR寄存器的值，其中參數BITNO為16位中對應的通道號。在監控系統中通過組態王的BITSET命令完成對泵群的啟停、變頻選擇等開關量信號的控制。 　　同理為使ADAM-4017與監控軟件建立通訊，也需要對其通訊參數進行相應設定。待ADAM-4017進入INT＊狀態，檢索生效后，用ADAM　UTILITY　PROGRAM對其進行參數設定。為使監控軟件與其進行通訊，需要對其各項參數進行具體設定。Address 值為設置模塊在ADAM網絡中的地址值，每個模塊的地址唯一。ADAM網絡可支持256個可尋址的ADAM模塊，距離可達十多公里，每段可連接16個ADAM。當需要增加模塊數量或距離超過1.2km時，可以通過增加ADAM-4510中繼器的方式解決。在ADAM網絡中，ADAM-4510和ADAM-4520不占用地址。由于每個ADAM-4017模塊默認值為1，需要對其在網絡中的通訊地址進行標示、確認，所以可對所用各模塊在單機狀態下進行地址寫入后，然后組建通訊網絡。ADAM-4017組網后，可以對各模塊的參數進行更改、設定。在控制現場，本系統利用24伏直流電源和數個滑動電阻進行各模塊的電壓采集測試，進一步對電路和各設定參數檢查后，采集值初步符合要求，在此基礎上針對本監控系統對各模塊利用信號發生器進行了校準。本監控系統中通過ADAM-4017使用組態王采集電流、電壓、流速、液位等4～20mA的模擬量信號。 2 軟件設計 　　組態的概念最早來自英文configuration[4]，含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到計算機或軟件按照預先設置，自動執行特定任務，滿足使用者要求的目的。由于組態軟件提高了系統的可靠性，縮短了項目開發周期，減少了開發費用，在工業控制中，國內外的無數成功工程實例也充分證明了采用組態軟件是大勢所趨。鑒于此，本文采用了組態王進行組態設計。 　　本系統開發的主要界面有：（1） 系統控制界面：實現系統控制軟件化，通過計算機完成電氣柜上的所有手動控制。變頻柜控制界面如圖2所示。 [align=center] 圖2變頻柜控制界面[/align] 　　（2） 狀態顯示界面：該界面監視現場設備的運行情況，模擬系統的工藝流程。（3） 實時數據曲線顯示：監視設備重要參數的變化趨勢，從而可以了解設備在一段時間的運行狀況，如各泵電流曲線、電壓曲線、泵工作狀態曲線、流量曲線、各井水位曲線、水塔曲線、管網壓力曲線等。其中泵的電流曲線如圖3所示。 [align=center] 圖3泵的電流曲線[/align] 　　（4） 實時報警處理：對系統實時采集的數據進行判斷，發出報警信號，按技術要求處理并自動進行相應的設備控制。如氯氣泄漏報警、消毒故障報警、各泵故障報警、水塔水位上下限報警、水井下限報警、余氯上下限報警等。（5） 報表記錄等：日監測記錄、工作日志、月工作簿、月度報告、報表查詢等。 　　本監控系統可以運行在基于TCP/IP協議的網絡上，從而實現從下位機到上位機，到遠程服務器的網絡化通訊。本監控系統作為C/S模式，其服務器可以根據系統需求設置為IO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。系統的一個站點在指定為一種服務器的同時，也可以兼作其他類型的服務器，同時還可以做其他站點服務器的客戶機。這種柔性的網絡結構，提高了系統的整體容量并改善了系統性能。WEB服務器利用HTML等技術將設備運行畫面、各種動態曲線、報表等生成動態網頁，實現遠程網絡監控。 3 結束語 　　該鐵路供水監控系統已在濟南鐵路局兗州水電站安全運行多時（已通過山東省科技廳的鑒定，第942號），滿足了企業供水對自動化應用的需求，為實現水廠的無人值班、少人職守、降能節耗和安全經濟運行提供了新的解決方案。該系統實現了供水監控遠程化和信息網絡化，達到了節水降耗效果，取得了較好的經濟效益。 　　創新點：本監控系統所采用的多串口基于組態的實現方式為變頻恒壓供水監控系統提供了一種新的解決方案，并投入實際應用，系統合理、可靠，滿足了企業供自動化的需求。 參考文獻： 　　[1]汪傳生等.基于組態王6.5的實驗型密煉機控制系統，微計算機信息，2007，1-1 　　[2]邱公偉.可編程控制器網絡通信及應用.北京: 清華大學出版社,2000 　　[3]馬明建，周長城.數據采集與處理技術.西安：西安交通大學出版社,1998 　　[4]馬國華.監控組態軟件及其應用.清華大學出版社,2001