杨俊明（天津市引滦工程潮白河管理处　天津）

水务行业职工培训用SCADA系统

杨俊明
（天津市引滦工程潮白河管理处天津）

针对水务行业职工电气技术培训不足的问题，建立培训室，依托先进自动控制设备，搭建SCADA系统。介绍SCADA系统主要组成及实现方法。SCADA系统投用后，职工培训效果良好。

水务职工培训SCADA系统模拟仿真PLCPROFIBUS-DP总线

一、概述

水务行业电气设备需要不间断运行，使得青年职工平时无法更新调试或用作电气教学培训。引滦工程潮白河管理处新建培训室，依托培训室先进的自动控制设备，搭建SCADA系统，模拟泵站整个自动控制流程，演练真实泵站中机电设备的全部操作，以提高青年职工业务水平和知识技能。SCADA系统参照真实泵站架构，在保留泵站系统功能基础上，相应完善配套设施，为适应新技术、新设备和新方法，系统预留硬件接口及丰富的扩展API以满足日后升级改造需求。培训室SCADA系统包括下位机智能控制系统、上位机HMI系统和通信网络（图1）。

图1　培训室SCADA系统架构

二、下位机智能控制系统

下位机智能控制系统主要负责采集SCADA系统中各种输入信息、控制输出设备，涉及的下位机主要有传感器、电磁阀、电机、PLC和智能仪表，其中PLC是核心，通过其实现大部分的数据采集和控制功能。

1.PLC选型

经过多方调研，管理处最终选用西门子SIMATIC S7-300系列产品。该系列产品配备多种不同性能等级的CPU，以及为应对不同电气状况而研发的扩展模块，可根据不同控制环境选择特定功能模块。PLC组件选型见表1。

表1　PLC组件选型

2.控制系统设计

培训室内建有1个沙盘，具备系统控制所需的水泵、压力变送器和电磁阀等设施设备。设备分工：①液位计实时监测前池水位变化；②改变电磁阀开度模拟供水流量变化；③变频器改变频率实现电机软启动；④调节水泵叶片角度控制输水流量范围；⑤压力变送器实时监测水泵内管道压力；⑥热电偶实时监测电机及水泵温度；⑦冷却风机对水泵进行降温处理；⑧流量计实时监测输水流量。

（1）下位机智能控制系统属于自动控制系统，PLC、变频器和智能仪表是控制器；液位、压力、风速和流量等是被控对象；低压水泵、电机、电磁阀和冷却风机等是执行结构；液位计、热电偶和压力变送器等是变送器。

（2）该系统中，水泵开停控制、电磁阀及风机启闭等顺序控制均属于开环控制；水泵叶片角度的自动调节属于闭环控制，被控对象为前池水位，控制器为叶片角度调节装置。

（3）系统主要是将采集的前池水位作为PID控制指令的输入，经过分析处理和自整定后作用于水泵叶片角度的调节，根据前池水位变化自动调节叶片角度。调节器采用PID控制方式。P、I、D参数整定采用工程整定法，依据经验，直接在系统上反复调节验证，方法简单，易于掌握。在实际调试时，先设定1个经验值，然后根据调节效果再进行修正。虽然SIMATIC S7-300系列PLC产品可利用自身闭环控制模块实现PID控制，但为实际验证不同参数对控制结果的影响，增加两块具备PID调节功能的宇电AI808智能仪表。

3.PLC控制程序编制

（1）编程语言选择。培训室选用西门子公司标配STEP 7 V5.4编写PLC控制程序。为满足不同自动化任务所需，STEP 7支持Statement List（STL）、梯形图（LAD）和功能块图表（FBD）等3种标准化编程语言。考虑到管理处人员实际情况，编写控制程序主要以梯形图为主。梯形图非常接近于继电器电路，很容易被熟悉继电器控制的新老职工掌握，方便、易读且便于调试，特别适合于数字量逻辑控制。

（2）程序逻辑设计。为尽可能全面真实模拟水泵设备运行情况，参照泵站设备实际情况，自动控制系统设置的正常开机条件［1］有：①油压装置压力正常；②真空破坏阀已关闭；③停机继电器未动作；④低压空气储气罐压力正常；⑤前池水位达到开机允许水位；⑥水泵叶片角度为-8°；⑦同步电机未投励；⑧机组断路器为闭合状态。

8个开机条件全部设置为数字量输入信号，当其值全部为1时满足开机条件，执行正常开机任务，上位机组态画面显示水泵叶片运转并在沙盘上模拟水体流动。前池水位数据设置为模拟量输入，沙盘内液位计将实时液位信息以4～20 mA电信号输入至模拟量输入输出模块，后传输至CPU。水泵叶片角度既为模拟量输入，也为模拟量输出。培训室PLC控制程序以开停机过程为核心，主要逻辑流程见图2、图3，涉及的各种信号量见表2。

图2　开机流程

三、上位机HMI系统

上位机HMI系统与SCADA系统的数据库及软件相连，读取设备相关信息，实时显示各种趋势、诊断数据及相关信息。上位机HMI系统包括硬件和软件两部分。硬件部分主要是触摸屏或通用PC，软件部分是运行在PC机上的组态软件。组态软件以图形界面形式显示系统整体信息，并动态模拟系统中的状态变化。

图3　停机流程

表2　PLC系统信号量

Windows平台下常用组态软件主要有Wonderware公司的Intouch、GE公司的iFiX、Citect和西门子公司的WinCC。培训室内PLC已选用西门子产品，组态软件选用对应的WinCC 7.0，其与SIMATIC S7-300系列PLC在软硬件上无缝集成，可实现高效率数据传输，并且能直接使用STEP 7中的符号变量表，运行时也能直接跳转到STEP 7的功能块，并可启用STEP 7的硬件诊断功能，方便故障分析调试。

1.组态画面设计

培训室SCADA系统组态画面逻辑树见图4。

2.报表设计

培训室SCADA系统通过PLC采集大量数据，对数据进行分析后将数据记录分为3类：①周期性记录，如电压、电流、温度和叶片角度等；②非周期性动作触发记录，如分合闸状态改变、报警信息等；③动作触发产生的周期记录，即分合闸或报警后各种电压电流的数值变化信息。最基本和最常用的周期性报表设计样式见图5，样式设计完毕，应用WinCC报表系统进行详细设计。WinCC用户归档编辑器可在通用PC上建立数据库连续保存数据，其图形化的编辑界面可快速组态WinCC归档控件，以图表等样式显示系统的运行数据。当需要对归档的数据进行访问时，可以使用WinCC的归档控件或安装Connectivity Pack选件编写脚本程序读取数据。WinCC V7.0用户归档控件可实现工具栏的动态化。例如，动态化打开控件的组态对话框，其脚本程序是VBScript：ScreenItems（“Control1”）.ToolbarButtonClick=2。生成的报表可连接打印机实时或定时打印，打印内容也定期以CSV文件形式存储，方便日后查找。

图4　组态画面逻辑树

图5　报表设计图

四、通信网络设计

培训室内通信网络分为两部分：①以PROFIBUS总线构建的PLC与PC之间的通信网络；②应用工业以太网技术建立的与管理处内网相连接的OPC服务器。

1.PROFIBUS-DP总线控制系统

西门子公司研发的PROFIBUS（Process Field Bus，过程现场总线）是目前应用最广泛的现场总线。在自动控制系统与分布式设备通信时，PROFIBUS-DP在数据的传输速率、整体效率及通信成本等方面具有明显优势。该培训系统PROFIBUS-DP总线组成：SIMATIC S7-300系列PLC中集成PROFIBUS-DP主/从站接口的CPU 315-2DP作为一类DP主站；通用PC作为二类DP主站；系统中各种传感器、电机、电磁阀等作为DP从站。通过西门子公司的PCI卡CP 5611完成作为一类主站的PLC与二类主站通用PC的通信，其网络拓扑见图6。

2.工业以太网及OPC服务器

工业以太网是基于IEEE 802.3（Ethernet）的强大区域和单元网络。OPC是一个工业标准，定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法，为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。

3.SCADA系统OPC服务架构

（1）培训室内OPC服务设计思路。硬件部分使用CPU315-2DP完成运行控制，利用通信模块CP343-1，使用TCP/IP协议将SIMATIC S7-300接入管理处内部网络，以现有的网络设备为基础，将SCADA系统的预留端口接入内网，从而实现系统整体的远程访问。软件部分使用SIMATIC NET网络通信软件和STEP 7编程软件配置OPC服务，其中SIMATIC NET软件可为支持OPC服务的非西门子公司的组态软件（如Intouch、iFiX、Citect和国内的组态王等），提供访问PLC数据信息的API。

图6　PROFIBUS-DP总线网络拓扑

（2）应用OPC服务也能解决系统数据不能被编程语言直接访问的问题。OPC作为自动控制系统数据访问的通用模式，简单配置即可实现PLC和PC的通信。配置完成后，使用Visual Basic、Delphi、C#、JAVA等程序设计语言编写客户端程序，访问PLC及PC内的各种数据，并通过图形界面，可视化展现数据。需要指出通信网络中的核心模块CP343-1中仅一个RJ45接口接入管理处内网，当网络需要进行功能扩展或组件升级时，可直接连接至空闲的RJ45接口，以满足系统变更需求，不必大幅度更改网络拓扑。

五、应用效果

培训室建成后，超出预想效果，系统运行稳定，取得显著经济和社会效益，主要表现在以下几方面。

（1）缩短了新职工学习时间，提高了学习效率。依托培训室的先进设备和SCADA系统，经历短期业务培训和模拟练习，新职工即可熟悉泵站日常工作所需理论知识及大部分实践操作技能，相当于系统建成前学习积累多年的熟练程度，同时可接待本系统其他单位新职工的培训工作。

（2）真实泵站发生故障后，方便技术骨干总结分析故障原因。机组出现故障时，为影响正常输水工作，要及时准确排除故障，基本无暇细致分析故障原因。培训室SCADA仿真系统投用后，在排除真实泵站的故障后，可通过培训室内设备进行故障模拟，探寻故障原因，研究出多套解决方案，并详细分析其利弊。日后出现类似故障时，可更加快速高效解决问题。

（3）培训室内设备，尤其是PLC系统，具有很强的扩展能力，通过新增功能模块和添加新型科技设备，拓展原有系统功能，不断进行科技创新，构建实验模型，为日后在真实泵站应用提供有价值的参考。

（4）培训室内沙盘和水泵模型严格遵循真实泵站比例，泵站及配套设施设备全貌一览无余。在接待领导及参观人员时，先在培训室内将泵站整体情况做清晰明确讲解，再去泵站现场时，对泵站概况已经有一定认识，可深入讲解实际泵站的设施设备，并有针对性地对比讲解不同规模泵站的机电设施设备差异及控制保护系统差距。

潮白河管理处培训室，成功实现了电气模型复现实际电气控制系统，填补了水务行业中水泵运行仿真控制系统的空白，实现了对水泵及配套机电设备整体模拟，加快了水务工作者的知识更新速度，全面提高了水务工作者的技能水平，在华北地区乃至全国都具有很强的前瞻性，在技术上保持领先地位。

1 徐泽林.泵站机电设备维修工与泵站运行工［M］.河南：黄河水利出版社，1995

〔编辑凌瑞〕

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