基于网络监控的供水过程控制系统

　　摘要：针对目前水厂管网供水过程控制需求，设计供水过程综合控制系统，用网络将三套水厂控制系统连接监控，每套系统对水位、压力和流量检测，可对三套系统进行多种综合控制；并嵌入视频监控，监视水质和设备安全等；还引入labview信号处理模块，为现场调试和信号分析提供有力条件，最后探讨了Internet引入远程监控的可行性。
　　关键词：网络控制，视频监控，稳压供水，WinCC，变频器。
　　1、前言
　　本供水系统从能源的最佳配置及安全角度出发，针对水厂多台中等距离水泵联网供水系统，综合现代网络控制技术，设计一个以工业现场实际生产控制的综合性、多功能网络供水控制系统，这个系统具有远程web监控、复杂的关联控制、生动的组态监控界面、对输入输出信号采集分析等功能。通过对工业供水、流体控制、城市供水、虚拟仪器应用、SCADA软件应用的研究和综合，结合实际资源和条件本文提出了这个网络供水模型控制系统。并探讨了远程web监控的可行性。该系统采用采用WinCC监控组态软件作为上位机，下位机西门子S7-300PLC进行控制，现场采用MPI总线网络，对水面以摄像头进行视频监控，远程以因特网连接，利用虚拟仪器软件优化控制参数，使控制达到最优。从而可实现对复杂的供水网络进行联网调度控制。
　　2、系统功能
　　控制系统分别由A、B、C三套独立中距离的设备组成，由一台PC机作为上位机进行监控和数据处理，并与Internet连接。下位机具有多种监测和控制功能，系统具有以下特点：
　　（1）流量、压力、液位等过程量的检测，从而实现精确的流量、压力、液位控制；方便的数据记录和管理；（2）通过视频对危险或紧急事件进行监控报警；（3）利用虚拟仪器软件和相应硬件采集处理系统的输入输出信号，使控制得到最优化；（4）现场总线网络实现远程设备间的关联控制，实现对分散设备的集中操作和管理；能基于因特网或者局域网实现基于Internet的操作和监视。
　　系统模型如图1，现场中单个系统的各个传感器采集到信号后通过信号处理模块处理（AD转换）后把数字信号传到PLC（CPU），然后CPU根据此信号进行相应的动作；适配器是连接PLC与PC机的桥梁。水质监控的模拟中采用的总线类型是目前较热门的USB，当然用户也可根据所提供的硬件选择不同的总线类型，只需解决相应的通信协议问题就行了。各个系统之间的PLC通信可通过与CPU配套的外接口进行MPI通信，而各PC机之间则通过Internet进行相互的连接。
　　3、控制系统硬件设计
　　硬件结构是系统功能实现的载体，有上下位机组成。上位机采用可靠性较高的西门子工控机，通过MPI网络与现场控制的下位机PLC连接。下位机控制系统需要对输入输出模块、传感器、执行器、控制器及其等关键硬件进行选型。本系统选用模块化的西门子中型300系列的S7-312C的CPU；远程压力传感器的模拟信号通过多通道输入模块，转换成数字信号送到控制处理器；利用控制处理器中的数据处理和控制程序进行数据处理和判断；输出模块332控制信号控制电动阀、变频器等执行器来控制流量、水位和供水压力等；安装有6个压力传感器，可对管道的多个监测点和池子的压力进行，还装有两个流量传感器，这可分别测量管道多点的水流量大小。本系统的执行器是一台有变频器控制调速的电机水泵及一台恒速水泵，可以方便根据需要进行调节。采用性能优良的摄像头和视频采集卡与工控机相连接，可得到水池和需要监测的生产现场的视频信号，然后用OLE技术可以把视频界面嵌入到工控机的人机界面，还可以进一步对该视频信号进行处理，以实现特定的事件处理，如自动的环境安全监视、设备运行状态的自动监测等等。
　　4、系统软件设计
　　系统的软件设计包括PLC、WinCC等软件的设计，及相互之间的通讯。上位机软件是创建变量、界面数据输入与实时显示、数据采集管理、故障诊断、上下位机通信及视频处理等，其过程大致这样：建立与PLC的连接和创建变量，建立通信连接后便可以设置用于通信对话的变量。利用图形编辑器，进行组态、参数输入界面。如图2所示体现整个控制系统的大概控制流程：启动程序后进行初始化，清除寄存器里残留的数据信息，同时传感器采集到的信号传经AD模块后传到CPU，处理程序再根据这些信号相应的处理；其间可进行手动和自动操作。每个控制函数都独立分配一个数据块，这样方便数据信息的管理和防止数据出错。针对每个系统，单独建立参数输入界面。选择手动/自动、控制压力或流量对象、设定值与PID参数、函数控制、关联控制对象、标量转换参数输入等。在对各个部分的信号进行及时的最优化分析处理上，本系统引入LabVIEW，然后把这个信号及时反馈给控制程序，从而提高控制信号的精度。
　　对流量或者压力控制时，可以直接采用完全PID算法，能够直观输入和调整各PID参数，实际运算时则采用增量算法更加方便，计算工作量较少，运算速度较快，其增量式算法如下：
　　（1）
　　（2）
　　其中Δu（k）为k次控制的增量，A、B、C等分别为合并计算的常数。实现PID的控制程序由STEP7自带函数库的SFB41函数实现，既可设定PID参数，还可设定上下限位及调用时间等多种参数。
　　5、网络化及视频监控
　　三套设备间不仅进行联网数据监测，并进行联网控制，对水网供水调度。工业上的供水是一个牵涉到多方面领域的问题，这就需要解决多方面的协调性与能耗等问题。这里主要讨论Web方式实行远程监控的可行性和实现方法，如图3所示。
　　供水系统的网络大而复杂，这里研究一种新的方法，可以解决目前由于传感器的限制而难以实现的监控系统。由于本系统融入了丰富的控制、监控、虚拟仪器等现代先进的测控技术，可用于控制系统的深入研究和用于综合性的实验教学。而视频嵌入牵扯到多方面的知识，如视频信息的采集、采用什么算法进行处理，视频调用的过程步骤等等都需要考虑。视频调用的步骤如下：（1）用C++编号一个exe的文件，并把此文件放在所建的Wincc项目文件夹里，相应的图像分析处理在这里可以进行功能扩展。（2）在WinCC面板中调出个button；（3）右击button弹出一列菜单，选择“属性”，（4）选择属性里的“事件”，再接着是事件里的“鼠标”，“C动作”；（5）鼠标放在编程框图里需添加动作的位置处；接着点击编辑动作窗口的左树，把他们展开，然后调用windows中的programExecute)，并把program_name改为调用的路径名即可。（6）调用的路径里把所有的“”改为“/”。
　　6、结论
　　该网络过程控制系统通过一台主机监控，实现现场总线的网络检测与控制。可以分为三组，每套有自己独立的操作界面，可以单独进行实验，实时采集数据；实验时可以大范围改变参数，并且在屏幕上可以直接观测到输出量与检测量的对应曲线。每套系统嵌入视频监控和图像处理，将水厂的过程控制可以与视频监控完美结合；三台设备的联网性实验可以很好的模拟现实生活中的复杂供水网络，而且本系统具有试验切换容易，操作简便，稳定性好等优点。控制软件和监控界面的运作在实验装置上调试通过，并达到预期的效果。本系统的关联控制是通过建立数据块的映射实现的，所以只要把数据块循环刷新便可实现关联控制，而不依赖于通讯网络的结构。视频监控模块可以方便地嵌入过程控制实验系统中，这也是结合了当前工厂实际技术发展的需求方向。
　　参考文献
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　　4.龙迎春.利用PLC的通信功能实现供水泵站的远程监控[J].控制系统,2006,22(2-1):98-100.
                       

《基于网络监控的供水过程控制系统》

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