摘 要：基于组态王及多串口通讯提出了铁路变频恒压供水监控系统的设计思想及实施方案，对系统控制和数据采集进行了阐述，对系统的组态设计进行了分析和研究。该系统已成功应用于铁路供水，达到了自动控制，节能降耗的目的。
关键词：多串口通讯;组态软件;监控系统
0 引言
在铁路供水中，由于管网地理位置分散，而控制系统要求可靠、安全，故常采取现场手动操作、人工抄表、电话报数等调度方法，所以采集信息数量少、处理慢、传递迟，遇上爆漏或火灾等突发事故，反应迟钝、损失扩大。这类监控方式技术比较落后，很难适应现代化的要求。因此基于先进的控制技术设计一套全自动在线监控系统是非常必要的。
济南铁路局兖州水电站供水所，负责车务段、电务段、机车负载荷实验室、建筑工区、锅炉房、铁路学校、医院、公寓、宿舍等的供水，供水任务繁重，对监控系统的安全、稳定性提出了更高的要求。本文介绍济南铁路局兖州水电站恒压供水监控系统的设计与实现。
1 系统原理及硬件设计
1.1 硬件设计
兖州水电站供水所共有深水井四眼，1号、3号井深120米，2号、4号井深80米，5号井备用。共配有深水井潜水泵4台，运行方式采用3用1备的方式，可实现任意3台泵的自由变频组合。出口压力为恒压0.33MPa（0～1MPa可调），启动方式为自耦降压启动。
根据供水所的工艺要求，监控系统采用上、下位机组成的主从式控制系统[1]。在下位机选择方面，系统选择了专为工业控制设计的PLC，型号为欧姆龙公司的CPM2A。这是由于PLC采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，使其平均无故障时间通常在20000小时以上[2]。PLC 在监控系统中一方面控制控制系统的启动、停止，变频泵组的选择，另一方面采集设备的故障、报警信号。同时PLC把系统的开关量信号传送给工控机，监控软件通过PLC完成对系统的控制和开关量信号的采集。在上位机选择方面，系统选用ADVANTECH IPC 610工控机，以运行组态和监控软件，实现对整个系统的检测。
本监控系统中需要处理的模拟量信号分布于5个分散的水井和一个远距离的水塔，被控对象较分散，若采用板卡方式集中控制，布线及施工难度大、造价高，且信号的传递距离有限，不能很好的满足系统的信号采集要求。鉴于此，系统采用模拟量采集模块，可以通过RS—485在现场组成信号采集网络，然后通过RS—485转RS—232模块，与计算机进行串口通信，实现远程分散信号的采集、传输[3]。
基于整个供水系统的节能、自动化、可靠性以及远程监控的要求，本供水系统采用变频恒压控制的模式。鉴于泵组中泵的最大功率为22KW，且采用3用1备，循环变频的运行方式。所以系统选用的变频器功率为30KW。考虑控制和网络远程监测要求以及性能价格比，选用的变频器为SAMCO-VM05 系列SPF-30K-C型。
由于CPM2A、SAMCO-VM05、ADAM-4017需要与上位机进行串口通讯以实现系统控制及数据采集，故采用研华PCL849A多串口卡来实现串口扩展。PCL849A卡提供了4个RS-232串口，可以满足多台设备的同时工作，并为以后的设备更新和升级提供接口。
因此本监控系统控制部分由ADVANTECH IPC 610工控机、CPM2A可编程控制器、SAMCIO-VM05专用供水变频器等组成。信号采集部分用模拟量采集模块ADAM-4017、水位变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等。电路由自耦降压器、中间继电器、交流接触器、热继电器、空气断路开关等组成。
系统的启停，各设备的故障、报警，变频泵的选择，开关量信号的采集通过可编程控制器实现。泵组的循环变频，压力设定通过变频器实现。电压、电流、水位、流量、压力等信号由相应的传感器采集，转换为4～20mA的信号由模拟量采集模块传送到工控机。
在工控机上通过监控软件完成整个系统的信号采集，实现泵的启停、选择等控制，以及各设备报警、故障的检测、显示。
在本恒压供水系统中，由“自动启动”按钮控制可编程控制器输入寄存器的值，当该按钮动作后，PLC对4台水泵的故障、4个深水井的下限报警以及余氯仪和变频器的故障等进行检测。若符合条件，PLC使变频器多功能输入端子DI1输入有效，此时变频器运行。由“1号泵选择”按钮控制PLC扩展模块输入寄存器的值。该按钮动作后，PLC确认变频器可对泵组进行变频，使多功能输入端子DI2输入有效，1号泵被选中变频运行。同理，2号泵，3号泵，4号泵以同样的方式进入变频工作模式。如果要求对泵组全部进行工频运行，应使变频器无法启动。本供水系统利用变频器IRF端子输入压力变送器采集到的管网中的压力值，该压力信号为4～20毫安的模拟信号。变频器根据设定的压力值，对采集到的压力值进行处理，利用其内置的PID调节进行频率设定。
1.2多串口通讯方式
监控系统中，工控机与PLC、变频器、模拟量采集模块是通过串口进行通讯，原理如图1所示。串口扩展采用研华PCL849A卡来实现。PCL849A卡需要设置扩展串口的地址、使用的中断、通讯速度以及操作系统的类型等，这些都通过板卡上的多组跳线来完成。在设定扩展串口的地址、中断时，本文避免了操作系统已经使用的地址和中断号。利用组态王设备驱动程序可方便地实现与现场控制设备的通讯。组态王串口类逻辑设备是其内嵌的串口驱动程序的逻辑名称，对应着与计算机串口相连的实际设备，以动态链接库的形式供组态王调用。
图1监控系统通信原理
为使PLC与监控软件建立通讯，需要对COM1口在监控软件中通讯参数如波特率、奇偶校验位、数据传输位等进行设定。CPM2A的I/O设备地址在组态王中的寻址范围上限为31。CPM2A输入输出寄存器的在其编程软件CX-Programmer中IR寄存器数据类型为离散性，在组态王中利用函数BIT（VAR，BITNO）读取16个CPM2A的IR寄存器的值，其中参数BITNO为16位中对应的通道号。在监控系统中通过组态王的BITSET命令完成对泵群的启停、变频选择等开关量信号的控制。
同理为使ADAM-4017与监控软件建立通讯，也需要对其通讯参数进行相应设定。待ADAM-4017进入INT＊状态，检索生效后，用ADAM UTILITY PROGRAM对其进行参数设定。为使监控软件与其进行通讯，需要对其各项参数进行具体设定。Address 值为设置模块在ADAM网络中的地址值，每个模块的地址唯一。ADAM网络可支持256个可寻址的ADAM模块，距离可达十多公里，每段可连接16个ADAM。当需要增加模块数量或距离超过1.2km时，可以通过增加ADAM-4510中继器的方式解决。在ADAM网络中，ADAM-4510和ADAM-4520不占用地址。由于每个ADAM-4017模块默认值为1，需要对其在网络中的通讯地址进行标示、确认，所以可对所用各模块在单机状态下进行地址写入后，然后组建通讯网络。ADAM-4017组网后，可以对各模块的参数进行更改、设定。在控制现场，本系统利用24伏直流电源和数个滑动电阻进行各模块的电压采集测试，进一步对电路和各设定参数检查后，采集值初步符合要求，在此基础上针对本监控系统对各模块利用信号发生器进行了校准。本监控系统中通过ADAM-4017使用组态王采集电流、电压、流速、液位等4～20mA的模拟量信号。
2 软件设计
组态的概念最早来自英文configuration[4]，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。由于组态软件提高了系统的可靠性，缩短了项目开发周期，减少了开发费用，在工业控制中，国内外的无数成功工程实例也充分证明了采用组态软件是大势所趋。鉴于此，本文采用了组态王进行组态设计。
本系统开发的主要界面有：（1） 系统控制界面：实现系统控制软件化，通过计算机完成电气柜上的所有手动控制。变频柜控制界面如图2所示。
图2变频柜控制界面
（2） 状态显示界面：该界面监视现场设备的运行情况，模拟系统的工艺流程。（3） 实时数据曲线显示：监视设备重要参数的变化趋势，从而可以了解设备在一段时间的运行状况，如各泵电流曲线、电压曲线、泵工作状态曲线、流量曲线、各井水位曲线、水塔曲线、管网压力曲线等。其中泵的电流曲线如图3所示。
图3泵的电流曲线
（4） 实时报警处理：对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，按技术要求处理并自动进行相应的设备控制。如氯气泄漏报警、消毒故障报警、各泵故障报警、水塔水位上下限报警、水井下限报警、余氯上下限报警等。（5） 报表记录等：日监测记录、工作日志、月工作簿、月度报告、报表查询等。
本监控系统可以运行在基于TCP/IP协议的网络上，从而实现从下位机到上位机，到远程服务器的网络化通讯。本监控系统作为C/S模式，其服务器可以根据系统需求设置为IO服务器，历史数据服务器，报警服务器，登录服务器和WEB服务器等。系统的一个站点在指定为一种服务器的同时，也可以兼作其他类型的服务器，同时还可以做其他站点服务器的客户机。这种柔性的网络结构，提高了系统的整体容量并改善了系统性能。WEB服务器利用HTML等技术将设备运行画面、各种动态曲线、报表等生成动态网页，实现远程网络监控。
3 结束语
该铁路供水监控系统已在济南铁路局兖州水电站安全运行多时（已通过山东省科技厅的鉴定，第942号），满足了企业供水对自动化应用的需求，为实现水厂的无人值班、少人职守、降能节耗和安全经济运行提供了新的解决方案。该系统实现了供水监控远程化和信息网络化，达到了节水降耗效果，取得了较好的经济效益。
创新点：本监控系统所采用的多串口基于组态的实现方式为变频恒压供水监控系统提供了一种新的解决方案，并投入实际应用，系统合理、可靠，满足了企业供自动化的需求。
参考文献：
[1]汪传生等.基于组态王6.5的实验型密炼机控制系统，微计算机信息，2007，1-1
[2]邱公伟.可编程控制器网络通信及应用.北京: 清华大学出版社,2000
[3]马明建，周长城.数据采集与处理技术.西安：西安交通大学出版社,1998
[4]马国华.监控组态软件及其应用.清华大学出版社,2001