王兴龙论文

韶关市广播电视大学开放教育本科

毕业设计（论文）

基于WINCC的泵站控制系统设计

姓 名：王兴龙

专业班级：07秋机械设计制造及其自动化 指导教师：钟红君

提交日期：2009年11月25日

摘要

摘要

韶关市的排水泵站共有多个，分布在市区的武江沿岸。它担负着城市雨、污水排放的重要任务。每逢夏季到来，当污水蓄水池的水位低于长江水位时，污水蓄水池里面的水就必须通过泵站排入长江。如果排水不及时，致使下水道堵塞和桥下积水过多，就会影响交通和环境，给城市居民的生活带来诸多不便。随着韶关市城市建设的迅速发展，通过构建泵站监控网络，实现整个过程无人自动化已迫在眉睫。

排水泵站自动监控系统的开发和应用，将大大提高排水泵站的自动化控制水平，增加泵站运行参数记录的可靠性，减轻值班人员的劳动强度，并可对泵站机电设备运行进行实时监控。

罗家路排水泵站监控系统由泵站控制系统、中心控制系统和通信系统组成。泵站控制系统采用了PLC及相应的模块和通信设备。PLC通过模板实现就地的数据采集和控制，同时将现场采集到的数据传至中控系统，并接受中控指令，实现远程自动控制。

本文重点讨论监控系统组态界面的开发。其开发是利用的西门子产品WinCC(Windows Control Center，窗口控制中心)组态软件，来实现PLC与监控机之间的通信及监控机监控画面的制作。 关键词：组态软件；排水泵站；自动监控系统；WinCC

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基于WINCC的泵站控制系统设计

ABSTRACT

There are seven municipal drainage pumping stations in Wuhan,which are distributed in the edge of the Yangtse River,undertaking the task of municipal rainwater and wastewater. In the summer,which is a rainy season,the water level of the impounding reservoir is higher than the Yangtse River,so we must pump the water with the municipal drainage pumping stations.If it isn’t pumped on time,it will result in delay of dealing with emergencies,serious hydrocele below traffic bridges and a lot of inconvenience of living and traffic.With the rapid development of city construction,the scale of the municipal drainage pumping station is increasing gradually.So the automatization of the whole control process through establishing the supervisory network of the drainage pump station is becoming more and more urgent.The modified project of luojialu drainage pumping station is to substitute the manual control system to automation system.

The research and application of the pumping station automatic monitor system will improve the degree of the control system,increase the reliability of the operation,decrease the intensity of the personal on duty and monitor the equipment status in real-time.

Luojialu drainage pumping station automatic monitor system is composed of pumping station control system,central control system and communication system.The PLC and relative modules collects the sample data and controls the equipments,and transmit the information to the central control system which implements remote control sends the control order to the pumping control system.

The concern of this paper is discuss the development of the supervisory interface with simatic WinCC,which implenments the communication between the PLC and the supervisory computer and the supervisory interface.

KeyWords: Configuration software；Drained pumping station；Automatic monitor system；WinCC

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目录

目 录

摘要 ................................................................................................... I ABSTRACT ....................................................................................... II 第一章 绪论 ....................................................................................... 1

1.1 泵站简介................................................................................ 1

1.1.1 泵站在城市排水中的作用............................................... 1 1.1.2 罗家路排水泵站简介 ..................................................... 1 1.1.3 罗家路排水泵站的特点 .................................................. 2 1.2 研究泵站监控系统的意义 ....................................................... 3 1.3 泵站监控系统的研究现状及发展趋势 ...................................... 3

1.3.1 早期的监控系统 ............................................................ 4 1.3.2 集散控制系统 ................................................................ 4 1.3.3 基于现场总线技术的PLC网络 ....................................... 5 1.4 本文研究内容和重点 .............................................................. 6 第二章 泵站控制系统概述 .................................................................. 7

2.1 控制工艺和功能 ..................................................................... 7

2.1.1 泵站主控工艺 ................................................................ 7 2.1.2 泵站监控系统的功能要求............................................... 7 2.2 监控系统的总体设计 .............................................................. 8

2.2.1 监控系统的设计特点 ..................................................... 8 2.2.2 泵站监控系统的总体方案............................................. 10

第三章 泵站控制系统PLC程序设计 ............................................... 12

3.1 泵站电机和风机程序设计 ..................................................... 12 3.2 PLC程序 .............................................................................. 13 3.3 冷却水电机启动 ................................................................... 15 第四章 监控系统WinCC项目的设计 ................................................. 17

4.1 WinCC组态软件简要介绍 ...................................................... 17

4.1.1 WinCC的系统构成 ....................................................... 17 4.1.2 WinCC的性能特点 ....................................................... 19 4.2 WinCC项目的建立 ................................................................ 20

4.2.1 变量管理 ..................................................................... 20 4.2.2 图形的编辑 ................................................................. 22

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基于WINCC的泵站控制系统设计

4.3 图形界面介绍 ....................................................................... 23 4.4 过程值归档及报警记录 ......................................................... 31 4.5 用户管理.............................................................................. 33 4.6 与PLC的连接 ...................................................................... 35 第五章 系统实现与评估 ................................................................... 37

5.1 系统实现.............................................................................. 37 5.2 系统评估.............................................................................. 38 5.3 未来展望.............................................................................. 38 论文总结 .......................................................................................... 40 致谢 ................................................................................................. 41 参考文献 .......................................................................................... 42

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第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 泵站简介

1.1.1 泵站在城市排水中的作用

泵站建设在我国已有近40年的历史，其功能日趋完善。供水、灌溉、城市防涝、防洪等各用途的泵站，在各行各业中正起着越来越重要的作用。按照泵站的各种作用，泵站可以分为供水泵站，排水泵站，调水泵站等。其中排水泵站有城市防洪的作用，所以在我国各大城市均有排水泵站的身影。韶关市的排水泵站共有多个，分布在市区的武江沿岸，其主要作用是排放城市的污水。在冬季，污水蓄水池的水位高于武江水位，因此污水池里面的水可以直接排入武江，而当夏季到来时，一旦污水蓄水池的水位低于长江水位，污水蓄水池里面的水就需要通过泵站排入长江。如果排水不及时，致使下水道堵塞和桥下积水过多，就会影响交通和环境，给城市居民的生活带来诸多不便[1]。随着韶关市城市建设的迅速发展，市政污水泵站的规模在不断地扩大，排水泵站的作用也越来越重要。

1.1.2 罗家路排水泵站简介

罗家路排水泵站是位于韶关市武江区罗家路江边的泵站，此泵站主要负责武江区周围的污水排放。和大部分泵站一样，罗家路排水泵站主要以下几个部分组成：

? 出水闸门：此闸门主要是在冬季时用于自动排放集水渠里面的水，此闸门位于

排水泵站的右侧，当夏季到来时，此闸门关闭。

? 蓄水池：当夏季到来时，出水闸门关闭，水聚集在蓄水池里，通过泵站抽出 。 ? 供电区：为了保证泵站的可靠工作，泵站供电直接通过高压输电线提供，其进

线是10KV高压，通过几级变压，得到电机的额定电压和220V的低压生活用电电压。

? 水泵房：罗家路排水泵站安装了4台6KW的轴流水泵。其水泵的电机是用的

同步电动机，之所以使用同步电动机是因为大功率同步电动机功率因数高，在运行时，不仅不会使系统的功率因数降低，反而会改善电网的功率因数，另外，

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基于WINCC的泵站控制系统设计

同步电动机的体积一般也比异步电动机的要小。

? 控制柜房：控制柜房内装有进线柜，泵开关柜，励磁柜，电压互感器柜，PLC

柜，电源柜等。泵站的控制和监控设备主要安装于控制柜房内。

? 冷却水池：此水池里面的水是干净水，主要用于冷却电机，并且水通过循环管

道循环使用。

1.1.3 罗家路排水泵站的特点

排水泵站的工作特点是它所抽升的水是不干净的，一般含有大量的杂质，而且来水的流量逐日逐时都在变化。排水泵站的基本组成包括：机器间，集水池、格栅、辅助间，有时还附设有变电所。机器间内设置泵机组和有关的附属设备。格栅和吸水管安装在集水池内，集水池还可以在一定程度上调节来水的不均匀性，以便泵能较均匀工作。格栅作用足阻拦水中粗大的固体杂质，以防止杂物阻塞和损坏泵，因此，格栅又叫拦污栅。辅助间一般包括贮藏室、修理间、休息室和厕所等。

排水泵站按其排水的性质，一般可分为污水(生活污水、生产污水)泵站、雨水泵站、合流泵站和污泥泵站。

按其在排水系统中的作用，可分为中途泵站(或叫区域泵站)和终点泵站(又叫总泵站)。中途泵站通常是为了避免排水干管埋设太深而设置的。终点泵站就是将整个城镇的污水或工业企业的污水抽送到污水处理厂或将处理后的污水进行农田灌溉或直接排人水体。

按泵启动前能否自流充水分为自灌式泵站和非自灌式泵站。 按泵房的平面形状，可以分为圆形泵站和矩形泵站。

按集水池与机器间的组合情况，可分为合建式泵站和分建式泵站。 按采用的泵特殊性又有潜水泵站和螺旋泵站。

按照控制的方式又可分为人工控制，自动控制和遥控三类。

罗家路排水泵站的控制系统是用的老的单级继电器控制，其自动化监控程度低，泵站管理全部是手工操作，运行数据全部由人工记录，人员劳动强度大，耗电量大，而且运行数据的采集缺乏科学性，系统不易检修。泵站的这些缺点已经不能满足当前城市市政建设高速发展的需要。通过构建泵站监控网络，实现整个过程无人自动化已迫在眉睫。

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第一章 绪论

1.2 研究泵站监控系统的意义

1998年我国遭遇了百年不遇的特大洪水侵袭，包括韶关市在内的各个沿江地区和城市都受到了很大破坏。在抗洪时各个排水泵站的作用显得格外重要，因此，为了提高城市的防洪排涝能力，韶关市政府决定对各大泵站进行自动化改造。其改造后的系统集数据采集、过程控制于一身，能够完成工艺流程控制、显示、操作状态监视、过程数据的监测、存储、报表打印等功能，该系统的研究的开发个有很大的意义。

1.提高泵站运行的可靠性。泵站实现计算机监控后，首先通过各种监测装置能够快速准确和及时的进行监测，并不断地把状态数据送到数据库服务器里。一旦出现异常状态，系统就能够发出报警信息，而且能够迅速把信息传递给现场工作人员，及时做出处理。系统还能对事故过程进行历史记录和整理，防止下一次事故的发生，可使设备避免遭受更严重的损坏，从而提高了泵站运行的可靠性。

2.计算机监控系统使水泵合理运行从而节省了电能。泵站采用计算机监控运行后，在排水泵站的运行过程中，计算机通过检测泵站蓄水池的水位控制调节泵机开停，使水泵效率提高，从而达到节省电能的目的。

3.提高了劳动生产率。泵站的很多工作都是由自动装置按一定的程序自动完成的，因此减少了人员直接参与操作、控制、监视、检查设备和记录等的工作量，改善了工作条件，减轻了劳动强度，提高了运行管理水平。同时可减少运行人员，实现少人甚至无人值班，提高了劳动生产率，降低了运行费用和成本。此外，运行人员的减少还可以降低生活敲诈的消耗，因而也可以减少泵站的抽奖。

4.开发后的自动监控系统能及时准确的采集数据并保存，为泵站的建设和管理提供了可靠有力的科学证据，为摸索城市排水规律，提高管理水平提供了方便条件。这对城市的防洪排涝有很大的帮助。

1.3 泵站监控系统的研究现状及发展趋势

纵观控制系统的发展过程，任何一种新的控制系统的出现都是针对旧的控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，并在用户需求和市场竞争等外部因素的推动下占主导地位。

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基于WINCC的泵站控制系统设计

1.3.1 早期的监控系统

早期国内大部分泵站的监控和管理还处于相当落后的状况，与国外相比具有很大的差距。在电气控制上，自动化监控程度低，大部分的泵站仅有单级的常规控制。在管理水平上，大部分泵站的管理记录和统计都是手工操作。因此泵站的控制和管理没有形成区域化的网络。早期泵站自动化监控系统通常彩集中采集中控制系统的工作模式，即现场各处的参数通过统一的模拟信号，例如0.02-0.1Mpa的气压信号，4-20mA的直流电流信号，1-5V直流电压信号等，送往集中监控室。操作人员可以坐在监控室内观察生产流程各处的状态，可以把各单元仪表的信号按需要组成复杂控制系统。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变换缓慢，抗干扰能力差，因此经常出现事故。韶关市罗家路排水泵站当前的监控系统还是这种比较老的系统，因此存在很多缺点，这也是对其进行改造的主要原因。

1.3.2 集散控制系统

目前国内外比较先进的泵站自动化监控系统大多为集散控制系统DCS（Distributed control system）[2]。

20世纪70年代初随着单片机的出现和发展，出现了DCS系统，它是以集中管理、分散控制为核心思想。在集散控制系统中管理于控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，多台下位机下放分散到现场实现分布式控制功能，上下位机之间以控制网络互连以实现相互之间的信息传递克服了集中数字控制系统对控制器的处理能力和可靠性要求高的缺点。这种监控系统在当时具有一定的先进性，但是还存在很多问题。它是建立在计算机通信协议基础之上的，无法延伸到现场智能设备，而且DCS多为数模混合系统，满足不了数据通信全数字化的要求。同时它采用了独家封闭式的通信协议，为一些开发商所志有，给用户系统集成和应用带来许多问题。DCS系统有以下主要缺点：

1. 接线复杂，可维护性差。由于现场设备相对分散，而所有的信号都要连接到工控机上，这导致施工不便，产生故障后不易查找与排除。

2. 精度差。由于线路上传输的是4-20mA的模拟信号，容易受到工业现场的干扰，造成精度的损失。

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第一章 绪论

3. 可靠性不好。所有的测量功能与采集功能均在工控机上，工控机负担很重。一旦工控机发生故障，整个系统将失去控制。

4. 系统不易扩展。

1.3.3 基于现场总线技术的PLC网络

20世纪80年代后期，人们在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线[3]。由于从根本上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总线技术在计算机监控系统中的应用愈发广泛了国际电工委员会IEC61158对现场总线(fieldbus)的定义是:安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。第2版(Ed2.0) IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准一第2部分:物理层规范(Physical Layer Specification)与服务定义(Server definition)又进一步指出:现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器(transducers )、执行器(actuators)和本地控制器(local controllers)之IN的数字式、串行、多点通信的数据总线。对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。例如，现场总线一般是指“一种用于连接现场设备，如传感器(sensors)、执行器及像PLC、调节器(regulators)、驱动控制器等现场控制器网络.现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式，数字化、多点能信的底层控制网络；现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系；现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络;现场总线是用于过程自动化和制造自动化(最底层)的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成;现场总线是从控制室联结到现场设备的双向全数字通信总线在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络。

现场总线是当今3C技术即通信(Communication)技术、计算机(Computer)技术、控制(Control)技术发展的结合点，是网络技术发展在控制领域的体现及其发展到现场的结果。现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，将对传统的工业自动化带来革命，

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从而开创自动化的新纪元。它必将逐步取代传统的独立控制系统，集中采集控制系统和集散控制系统，成为本世纪自动控制系统的主流。现场总线所具有数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性及对现场环境适应性等特点[4]，这些特点决定和派生出了一系列优点:

1. 线和连接附件大量减少。

2. 表和输入/输出转换器(卡件)大量减少。 3. 设计、安装和调试费用大大降低。 4. 维护开销大幅度下降。 5. 提高了系统可靠性。

6. 提高了系统测量与控制的精度。 7. 系统具有优异的远程监控功能。 8. 现场设备更换和系统扩展更为方便。

1.4 本文研究内容和重点

本文在参考大量文献资料的基础上，结合韶关市罗家路排水泵站的自动化改造项目，对泵站的计算机监控系统进行了研究，其主要研究内容是利用西门子的人机界面HMI软件WinCC对系统上位机的设计研究。全文共分五章。第一章对泵站进行了简单的介绍，并对泵站监控系统研究的意义进行了阐述，然后对泵站监控系统的发展现状及发展趋势进行了分析说明。第二章主要对系统的工艺要求进行了说明，基本明确了系统的研究方法。第三章讲对泵站控制系统PLC程序设计。第四章是本章的重点。在本章中，对监控系统设计的整个过程和步骤做了详细的介绍和说明，并对重要的图形界面分别做了说明。第五章是项目实现与评估，主要对本设计的运行实现做了描述和进行简单的总结，并对泵站监控系统和自动化技术的未来拓展做了展望。

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基于WINCC的泵站控制系统设计

第二章 泵站控制系统概述

2.1 控制工艺和功能

2.1.1 泵站主控工艺

污水进入泵站后的工艺流程如下：泵站进水渠——泵站集水池——提升泵房——出水渠——武江。

根据沿江排水泵站的具体工艺要求，可以确定监控工艺。设计要求，系统可以通过各种传感设备自动监测集水池水位，根据水位的高低来自动控制泵机的启停，从而使集水池的水位保持在一个合适的位置。在泵站工作过程中，系统要能够通过与PLC的通讯自动采集和记录泵站工作过程中的各项数据，包括泵站电机的启停工作状态，泵站各个控制柜中的温度和工作电压电流，泵站工作中出现的故障数据等等。在水位超出设备设定范围时，或者系统的其它设备出现故障时，系统能够自动报警。设计要求电机的工作方式可以在自动方式和手动方式中进行选择。

2.1.2 泵站监控系统的功能要求

泵站的监控系统是在泵站控制室内的控制台实现对泵站设备的监测、控制功能，实现监视泵站状态和运行参数、接收故障报警信息、通过智能终端设备下达控制信号，并具有分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。 (1) 状态采集功能:

能动态采集下列信号:电机有功功率；电机无功功率；电机电压；电机电流；集水池水位；冷却水池水位；电网参数；水泵的开停等。 (2) 状态数据的处理与分析

①能对采集数据进行存储;②能对监控参数进行趋势分析; ③能对监控参数进行趋势预报:④能对监控参数的异常状态进行关联分析。 (3) 报警功能

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基于WINCC的泵站控制系统设计

对监控参数能实施报警功能，能进行记录(包括发生时间、监测参数数据，相关参数数据等)，自动生成异常状态数据库。 (4) 主要设备的运行状态显示

①工艺流程的动态显示;②主要参数的历史曲线及趋势显示;③相关参数的历史曲线及趋势显示;④历史数据及特种一记录显示。 (5) 存储功能

①各种监控参数的动态存储;②各种监控参数的异常动态存储;③控制行为的动态存储。 (6) 查询功能

①各种监控参数的历史数据;②各种监控参数的曲线及趋势;③异常状态查询;④控制行为查询。 (7) 报表及打印功能

①各种监控参数的报表自动生成;②各种监控参数的的指定区段数据打印:③各种监控参数的报表打印;④异常状态及控制行为的报表打印。

2.2 监控系统的总体设计

2.2.1 监控系统的设计特点

排水泵站监控系统任务重大，根据其任务及系统要求，监控系统的设计应该具备以下几个特点[5]：

1、运行上的可靠性

这是最基本也是最重要的要求。由于计算机监测控制系统的运行环境一般都相对恶劣，而且计算机监测控制系统往往负担着重要的任务，它一旦出现故障，将造成整个被监控过程的混乱，引起严重的后果，由此造成的经济损失和对人们生活带来的不便往往远非计算机监测控制系统本身的造价所能比拟的。对计算机监控系统来说，特别对于泵站，可靠性是最重要的。计算机要能长期连续工作，要有较强的抗干扰能力和自检、自恢复功能。为了提高可靠性，要从硬件和软件两方面采取措施。在硬件方面，微机要选择较高的配置和可靠性较高的操作系统，尽量采

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基于WINCC的泵站控制系统设计

用标准化的功能模块，尤其对接口的可靠性要给予特别的重视。软件方面，也要有一个合理的结构，按模块化的要求设计程序，在可靠性要求特别高的场合，可采用双机或双重化系统。

2、技术上的先进性

计算机监测控制是一个综合性、交叉性强的技术领域，它综合了计算机技术、自动控制、信息处理和通信、检测技术以及生产过程和管理方面的知识，其技术先进性概括来说体现在硬件设备、软件平台和工具、信息处理和控制策略这三个方面。计算机监测控制系统设计的一个原则应当是不盲目追求新技术，而在技术成熟的前提下尽量采用先进的技术。一方而，先进的技术可以获得更好的监测控制效果，从而可能获得更高的经济效益，因此在保证可靠性和经济上允许的前提下，应尽可能采用先进的技术;第二，计算机技术发展十分迅速，硬件和软件更新换代的周期越来越短，采用先进的技术意味着延长系统的生命期限:第三，计算机监测控制系统大多作为整套生产设备的一部分出现，而高技术含量往往又体现在控制系统上，先进技术的采用可以大大提高整套设备的附加值，带来客观的经济和社会效益。

3、使用上的方便性

这包括三方面的含义:其一，是操作上方便。尽可能降低对操作人员的专业技术知识的要求，使他们在较短的时间内或通过说明书能掌握和熟悉操作使用。操作的内容尽可能简单明了，操作的顺序清晰简明，便于记忆。其二，是排错上方便.硬件的排列和安装合理，配有明显的指示或信号显示，并配有查错、诊断、故障报警程序，在故障出现时能及时对它定位并排除。其三，是维护上方便。应尽量采用标准零部件，便于硬件的更换。

4、实时性

计算机自动监控系统对各种信息的采集和处理要满足实时性的要求，对现场各种状态变化要及时响应。为了满足实时性的要求，计算机必须有足够高的时钟频率，性能优良的操作系统，丰富的函数指令以及

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合理的监控系统布局等。

5、良好的适应性和可移植性

微机要能适应各种运行情况，当系统运行情况发生变化时，要求通过简单的操作或改变某些标志和参数值就能适应。同时，一个成熟的计算机监控系统不仅在所采用泵站能实现监控并体现良好的工作特性，在做少量的软、硬件修改后，就能适用于其它的泵站，这将给设计者和用户带来很大的方便，节约资金缩短投运周期。

6、可扩充性

一个泵站监控系统的功能随着泵站本身可能的分期装机发展及排水系统的发展势必要有一些改进的提高，这就要求计算机系统能尽可能的进行功能扩充。因此，系统应具有良好的开放性能，硬件配置要留有扩充的余地;软件要便于修改和增删，具有通用性。

7、灵活方便的人机联系功能

泵站是在运行人员的监护下工作的监控系统必须随时向运行人员提供反映设备运行工控的信息，同时又能随时接受运行人员的各种命令。一个好的监控系统必须具备灵活方便的人机联系功能，面向对象的人机接口，操作维护也应简单易行。

2.2.2 泵站监控系统的总体方案

如前所述，泵站计算机监控系统主要由早期的单级继电器控制系统、集散型控制系统和基于现场总线技术的PLC网络控制系统，根据罗家路泵站的工艺特点和要求，罗家路泵站的自动化改造采用基于现场总线技术的PLC网络控制系统。

结合设计要求和特点，监控系统的很大一部分功能主要依靠组态软件来实现，本设计将选用优秀的组态软件来实现监控系统的下列功能（这也是本设计的重点）：

(1) 泵站工作过程的动态可视化控制； (2)生产过程中生产数据的采集和管理；

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(3)生产过程监控报警； (4)变量归档功能；

(5)建立和PLC的连接并模拟运行。

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第三章 泵站控制系统PLC程序设计

3.1 泵站电机和风机程序设计

泵站系统结构示意图

泵站电机接线图

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基于WINCC的泵站控制系统设计

启动风机 判断水位是否大于20m（控制水位） 延时30s 启动电机 判断水位是否低于控制水位 Y 是否设定定时停机 Y 停机

程序设计流程图

3.2 PLC程序

（1）、启动1#风机

（2）、判断当前池液位是否达到排水水位，控制水位输出为M15.7

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基于WINCC的泵站控制系统设计

（3）、启动1#电机，其中有手动启动电机和通过水位高低检测自动启动电机，通过水位检测自动启动电机必须延时30s，这是用来判断水位升高是由浪造成的还是水位升高造成的，如果30s内水位一直高于控制水位，那么自动启动电机。

（4）、停止1#电机，有手动停止电机、定时停机和当水位低于控制水位时自动停止电机，根据水位高低自动停机首先要判断当前水位是否低于控制水位。

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基于WINCC的泵站控制系统设计

（5）、风机和电机故障报警

（6）、定时停机，定时停机触发后，当系统时间与设定停机时间相等时，定时停机线圈闭合，发出停机信号

2#，3#，4#电机启动与停止程序依次类推。

3.3 冷却水电机启动

2个供水泵只需启动其中一个即可，所以当1号供水泵出现故障时停止时，2号供水泵自动运行。 1、启动1#供水泵

2、启动2#供水泵

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第四章 监控系统的设计

第四章 监控系统WinCC项目的设计

4.1 WinCC组态软件简要介绍

西门子公司(Siemens)的工业组态软件WinCC(Windows Control Center)为开发适合现代化控制要求的系统提供了一个方便可靠、开放性好、功能强大的软件平台。WinCC是采用了最新的32位技术的过程监控的软件，具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统，还是多用户系统，WinCC均是较好的选择。WinCC监控软件提供了友好的操作界面，用户可根据需要形成操作画面、监控画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等，因而在各行各业得到广泛的应用[6]。

基于WinCC的以上优点，本设计选择WinCC组态软件来完成。 工业组态软件Simatic WinCC是德国西门子公司和微软共同开发的软件系统，是世界上第一个集成的人机界面(HMI)软件系统，是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和微机软件强大功能的产物[6]。它真实地将工厂控制软件集成到过程自动化中。WinCC将Windows NT应用程序的现代体系结构和使用方便的图形设计程序集合在一起，可以很方便地生成人机界面，建立完整的过程监控解决方案。各系统集成商还可以用WinCC作为其系统的扩展基础，通过开放接口开发自己的应用软件。

WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server 2000(WinCC V6.0以前版本采用Sybase)数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。

4.1.1 WinCC的系统构成

WinCC基本系统是很多应用程序的核心，它包含以下九大部件[7]： 1、 变量管理器

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基于WINCC的泵站控制系统设计

变量管理器(tag management)管理WinCC中所使用的外部变量、内部变量和通讯驱动程序。 2、 图形编辑器

图形编辑器(graphics designer)用于设计各种图形画面并使其动态化。在WinCC的图形编辑器中用户将在组态模式中用各种工具和对象生成图形画面，可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建过程画面，可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上，向导提供了自动生成的动态支持并将他们链接到对象，用户同时可以在库中存储自己编程的图形对象。 3、 报警记录

报警记录(alarm logging)负责采集和归档报警消息。 4、 变量归档

变量归档(tag logging)负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。

5、 报表编辑器

报表编辑器(report designer)提供许多标准的报表，也可以设计各种格式的报表，并可按照预定的时间进行打印。 6、 全局脚本

全局脚本(global script)是系统设计人员用ANSI-C及Visual Basic编写的代码，以满足项目的需要。 7、 文本库

文本库(text library)编辑不同语言版本下的文本消息。 8、 用户管理器

用户管理器(user administrator)用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。 9、 交叉引用表

交叉引用表(cross-reference)负责搜索在画面、函数、归档和消息中所使用的变量函数、OLE对象和ActiveX控件[8]。

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第四章 监控系统的设计

4.1.2 WinCC的性能特点

WinCC的性能特点如下：

1) WinCC基于最新发展的软件技术，与Microsfot的密切合作能保证用户获得将来不断更新的技术。

2) 包括所有的SCADA功能在内的客户机/服务器系统:即使最基本的WinCC系统仍能提供生成复杂可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报告的编辑器由最基本的WinCC系统组件建立。 3) 集成ODBC/QSL数据库:SQL2000标准数据库集成于WinCC，所有面向列表

的组态数据和过程数据均存储于此库中，可以容易的使用标准查询语言(SQL)或使用ODBC驱动访问WinCC数据库，如这些访问选项允许WINCC对其他Windows程序和数据库开放它的数据。

4) 强大的标准接口(如OLE，ActiveX，OPC):WinCC建立了像DDE，OLE等在Windows程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控件和OPC服务器、客户端功能。

5) 提供所有主要PLC系统的通讯通道:作为标准，WinCC支持所有连接SIMATIC S5/S7/505控制器的通讯通道，还包PROFIBUS一DP，DDE，OPC等非特定控制器的通讯通道。此外，广泛的通讯通道可以由选件和添加件提供。

6) 与基于PC的控制器SIMATIC WinCC的紧密接口:PLC操作、监控系统在一台PC机上结合无疑是一个面向未来的概念。在此前提下，WinCC和WinAC实现了西门子的基于陀的强大自动化解决方案。

7) 集成到MES和ERP中:标准接口使得SIMATIC WinCC成为在TIA环境下的一个完整部件。这超越了自动控制过程，将范围扩展到工厂监控级，以及为公司管理(MES，ERP)提供管理数据。

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基于WINCC的泵站控制系统设计

4.2 WinCC项目的建立

4.2.1 变量管理

本项目主要建立了三类变量：外部变量、内部变量和系统变量[6]。 1) 外部变量

由外部过程为其提供变量值的变量，称为WinCC的外部变量，也称为过程变量。每一个外部变量都属于特定的过程驱动程序和通道单元，并属于一个通道连接。相关的变量将在该通讯驱动程序的目录结构中创建。外部变量的最大数目由Power Tags授权限制。

为了使该项目可进行在线调试，该项目创建了三个外部变量，一个输入变量，一个输出变量，一个模拟变量。如图4.3所示。

图4.3 建立外部变量

2) 内部变量

过程没有为其提供变量值的变量，称为内部变量。内部变量没有对应的过程驱动程序和通道单元，不需要建立相应的通道连接。内部变量在“内部变量”目录中创建。所组态的内部变量的数据不受限制，也不需要授权。

该项目创建了名为“bengzhan”的变量组，所创建的变量均放在该

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第四章 监控系统的设计

变量组中，变量的类型主要由二进制变量、浮点型变量以及文本变量等。如图4.4所示。 3) 系统变量

WinCC提供了一些预定义的中间变量，称为系统变量。每个系统变量均有明确的意义，可以提供现成的功能，一般用以表示运行系统的状态。系统变量由WinCC自动创建，组态人员不能创建系统变量，但可使用由WinCC创建的系统变量。系统变量以“@”开头，以区别于其他变量。系统变量可以在整个工程的脚本和画面中使用。

该项目还创建了分别为“年”“月”“日”“时间”类型的系统变量，用于主界面上系统时间的显示。如图4.5所示。

图4.4 内部变量的建立

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图4.5 系统变量的建立

4.2.2 图形的编辑

组态编辑的内容是整个监控程序的核心。主要任务是通过WinCC软件的图形设计(Graphics Designer)功能，组态编辑一系列的用户界面文件，通过这些界面文件从网络上PLC中获得各种监控数据并以不同的形式显示在界面上，利用这些数据完成一定的功能。这是建立项目中最重要的工作。利用图形编辑器编辑监控画面，并将其中的对象与相应标签建立动态连接。当监控程序运行时，操作者就可以通过这些界面显示的内容完成对生产过程的监控。

WinCC提供的图形对象有很多种。基本对象库里有OLE控件、按钮、滚动条、单选钮、应用窗口(可以将记录标签值的表格、曲线及报警信息放入其中显示)等等，图形库里有各种特殊的图形对象，如水箱、泵组、阀门等等。除此之外，还可以针对特殊情况自己生成图形对象存入图形库中，待使用时从中选取即可。用户还可以导入外部图形和文本数据。这样就可以建立非常逼真的监控画面[11]。

本设计制作的图形界面分为监控界面和操作界面。监控界面包括工

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第四章 监控系统的设计

艺界面，报警界面，曲线界面和登录界面。监控画面分别显示了系统的运行工艺和各项系统参数，为操作员提供了直观动态的监控效果。操作界面主要是供操作员对水泵和风机进行操作。在各个监控界面下方，都有导航按钮，用以切换到需要监控的界面，其设计方法是右键点击按钮，打开按钮组态对话框，在单击鼠标改变画面选项中选择相应的界面。其中退出按钮选择登录界面。在界面标题两侧，还显示了日期和时间，方便操作员查看。下面对主要界面分别进行介绍。

4.3 图形界面介绍

1.登录界面

登录界面主要用于进入监控系统和退出监控系统。在最后设置运行属性时也常常把这一界面设置为系统的启动界面。这个界面的内容很简单，主要由系统名称文本和两个按钮组成。两个按钮的设置分别为：“进入系统”的动态设置为点击时进入排水泵界面，“退出系统”按钮的动态设置是在动态向导里的系统函数里面选择退出winCC,设计好的登录界面。

2.排水泵界面

这一界面是此系统的主要工艺流程界面，用户在登录界面中点击进入系统以后就进入到这一个界面。它显示了排水泵站的排水工艺流程——从水进入水泵进水管到水泵把水抽出到排到泵站出水管这一整个过程，在这个界面上，我们还可以看到水泵工作时水流的动态效果，还有前池液位，外江液位以及各个水泵的启动次数等系统参数，各个水泵的工作电压和电流以及风机的工作状态也都可以从这个界面上直接观察。我们还可以从这个图上的泵操作界面对各个水泵进行操作，来控制各个水泵的启动和停止。其中风机的工作状态通过“风机无故障”和“风机有故障”两个文本显示，这两个文本在设计时已经编组并合并在一起，每次只能显示一个文本，两个文本的颜色也不一样，“风机无故障”的背景色设置为黄色，而“风机有故障”设置为红色，用以区别。这种设计

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方法在下面的多个界面中都有使用，设计方法相同，因此在下面的介绍中将不再具体介绍。排水泵界面如图4.7所示。

3.冷却水界面

冷却水界面是此系统的另外一个主要工艺流程界面，这上面显示了排水泵站的冷却水的工艺流程。罗家路排水泵站的冷却水使用的是循环水，即水冷却水泵后又被抽回到冷却水集水池，然后又可以再次去冷却水泵，这一工艺可以在冷却水界面上清楚的看出。另外，在冷却水界面上还可以看出冷却水界面上的各个阀的状态。界面上还显示了冷却水池的液位和前池液位。冷却水界面如图4.8所示。

图4.7 排水泵界面

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第四章 监控系统的设计

图4.8 冷却水界面

4.励磁柜界面

励磁柜界面是监控4个励磁柜的励磁电压电流等参数和励磁柜的工作状态的界面。在界面中，可以动态的显示励磁柜的“合闸”“开闸”，是否工作和是否出现故障等信息。通过点击励磁柜曲线按钮，还可以把界面切换到励磁柜曲线界面，来观察各个在励磁柜的励磁电压和励磁电流的变化曲线图。励磁柜界面如图4.9所示。

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图4.9 励磁柜界面

5．变压器界面

变压器界面主要是显示供电系统中的三个变压器的温度，防止超温发生事故。在变压器界面中，分别显示有主变压器、10KV变压器、6KV变压器的工作状态和每一相的温度。“分闸”和“合闸”的设计方法如同排水泵界面中的“风机故障”。A、B、C三相的温度用棒图形式表示，并在棒图上方设置报警温度，一但温度达到或超过报警温度，系统就发出报警信息。变压器界面如下图4.10所示。

图4.10 变压器界面

6.电机柜界面

电机柜界面主要是显示电机柜里面的系统参数，包括4个电机柜里面的线电压线电流，定子温度，轴承温度等。这些参数表示了电机的工作状态，供操作员监控并进行相关操作。在电机柜上方，还有操作按钮。按下操作按钮后，显示泵操作界

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第四章 监控系统的设计

图4.11 电机柜界面

面，操作员可以在泵操作界面上直接对泵进行启停操作。同样在电机柜界面上也有“合闸”“分闸”“故障”“事故”的提示信息。电机柜界面如下图4.11所示。

7.高压室界面

高压室界面上显示了互感器柜、高压进线柜、10KV变400V进线柜、6KV变400V进线柜、和直流屏柜等六个高压柜里面的故障信息，主要有互感器柜熔断器断、互感器柜接地故障、互感器柜失压、互感器柜故障、超温、跳闸、交变直故障、交变直事故、蓄电池故障、蓄电池事故等。因为高压事故非常危险，所以高压室内的故障要及早发现并及时做出处理。一但发生故障，这些信息就会显示给操作员，供操作员查清故障来源和故障类型，以便操作员及时做出处理。高压室界面如下图4.12所示。

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图4.12 高压室界面

8.雨量计界面

雨量计界面主要显示了当前的下雨情况，并统计了本月和上一小时的下雨情况，包括大暴雨、暴雨、大雨、中雨、小雨的下雨次数，本月的降雨量，当前降雨量、上月降雨量和上一小时降雨量等。这些统计信息为泵站合理调节泵站的运行提供了直接依据，泵站可以根据这些数据找出规律，然后根据本月的降雨情况和当前的降雨情况来决定水泵何时工作，需要几台水泵工作等。点击日降雨量曲线按钮和月降雨量曲线还可以和日降雨量曲线和月降雨量曲线界面相互切换。雨量计界面如下图4.13所示。

9.日雨量界面

日雨量界面的内容的雨量计界面的内容相似，区别主要是曲线图显示的是日雨量曲线，在界面上也可以通过点击“小时雨量曲线”和“日降雨量曲线‘两个按钮切换到雨量计界面和月雨量界面查看小时降雨量曲线和月降雨量曲线。

10.月雨量界面

月雨量界面显示的是月雨量曲线，该界面也可以和日雨量曲线和雨量计界面相互切换。

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第四章 监控系统的设计

图4.13 雨量计界面

11.泵操作界面

泵操作界面是用于对泵进行运行方式选择和启动和停止操作的界面，操作员可以选择自动运行使电机进行自动控制运行状态，也可以选择手动运行来手动操作。通过点击曲线还可以查看系统运行的各项参数曲线。泵操作界面在系统运行时不是单独出现的，它显示在排水泵界面和电机柜界面上，在上述的这两个界面中可以看到，这样设计便于操作员直接面对工艺流程来对电机进行操作。共有4个泵操作界面，分别对应4台水泵的操作。在项目被激活时，水泵处于手动停止状态，操作员在此泵操作界面上来启动水泵并设置水泵的运行方式。1#泵操作界面如图4.14所示。

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基于WINCC的泵站控制系统设计 图4.14 1#泵操作界面

12.风机操作界面

风机操作界面共有4 个，分别和4台风机要对应。和泵操作界面一样，风机操作界面也显示在泵操作界面上。在见机操作界面上，能够对风机进行相关的操作。1#风机操作界面如图4.15所示。

图4.15 1#风机操作界面

13.各参数的变化曲线界面

变化曲线图通过对象选项板下的控件对象中的在线趋势图控件来设计。双击该控件，即可对此控件进行各项属性设置。可以为曲线图命名，设置数据源，为坐标轴注释，改变坐标轴的标尺，设置曲线颜色等等。例如励磁柜参数曲线的数据源选择在线变量，变量分别选择外部变量中的励磁电压和励磁电流，坐标轴X共用Y轴不共用，并为Y轴命名并设定显示范围曲线颜色励磁电流选择绿色，励磁电压选择黄色。1#励磁柜曲线如图4.16所示。

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第四章 监控系统的设计

图4.16 1#励磁柜曲线

4.4 过程值归档及报警记录

（1） 过程值归档

根据需要，系统需要对系统的很多参数进行归档，以便能在上位机方便的观测到该变量的历史曲线，通过这些曲线，操作人员可以及时准确的了解泵站的运行情况。过程值归档应用到WINCC的变量记录编辑器（Tag logging）。当系统运行时，数据的采集和归档就开始启动并记录。

过程值归档的具体实现步骤如下：

a) 在变量记录编辑器的归档向导中创建一个新的归档，添加要归档的变量。

本项目设置的归档变量有每台水泵的励磁电压、励磁电流、排水泵电压和电流、排水泵定子温度、排水泵轴承温度等。

b) 设置新建归档的属性。包括设置归档的常规信息和归档参数。 c) 设置归档变量的属性。可根据需要在属性对话框中设置归档变量的名称、归档类型、采集周期、归档周期及归档数据记录条数等属性，

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如图4.17所示。

d) 组态显示趋势图的控件。选择WinCC在线趋势控件并将其置于历史趋势画面中。

e) 设置选择WinCC在线趋势控件的属性。

将在线趋势控件中分别分别将控件的曲线变量对应到各个归档数据，并为各个曲线定义名称、采样时间和曲线颜色。

图4.17 添加归档变量

f) 在WinCC资源管理器中激活变量记录运行系统(Tag Logging Runtime)[12]。

（2）报警的记录和显示

系统应实现集水池水位限制值、4台水泵和风机的故障以及各控制柜

的故障进行报警。报警应用WinCC中的报警记录编辑器(Alarm Logging)及WinCC报警控件可以方便的实现该项功能。当生产过程发生报警时，系统会自动触发相应的报警信息项，此信息会马上显示到报警信息表中。 具体的报警设计步骤如下：

a) 在报警记录编辑器的系统向导中建立所期望的消息块。

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b) 根据需要对消息块进行组态。包括设置消息名称、消息长度等属性。 c) 对单个消息进行组态。包括设置消息级别、消息类型、选择需要报警的变量、错误点与出错信息等，如图4.18所示。

d) 组态报警控件。选择WinCC报警控件所示,并将其置于报警画面中。 e) 根据需要设置WinCC报警控件的属性对话框。包括设置系统块编号、运行时工具栏中所需按钮以及消息文本及出错点等属性。

f) 在WinCC资源管理器中激活报警记录运行系统(Alarm Logging Runtime)。

分别对变量进行组添加消息文

图4.18 组态报警消息

4.5 用户管理

为了实现安全管理的操作，本设计还进行了用户管理设置。一般的操作员只能在运行画面进行操作，而只有合理的用户具有退出权限时，才可以退出系统。Wincc的User Administrator(用户管理员)编辑器用于组态当前Wincc项目中的用户账号和访问权限。它与Windows NT的用户管理员系统分开独立操作，只是界面是相似的。该编辑器有两种损伤方式：组态方式和运行方式。组态方式允许生成用户组，用户和权限级。

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运行方式没有运行的图形界面，当Wincc应用进入运行状态时，它在背景运行。用户管理员编辑器的运行方式的主要目的是管理用户的登录和退出，检查登录用的权限级。本设计就通过用户管理员编辑器来进行用户管理和权限级的设置。在本设计中，共设置了两个用户，一个用户的权限是只允许在运行画面进行操作，而不能进入和退出系统，另一个用户是管理员用户，它不仅可以在运行画面时进行操作，而且可以进入和退出系统。

设置具体步骤如下：

1）打开管理员编辑器，新建组，然后选择授权。

2）在用户组下新建用户，命名为操作员，选择复制组设置选项并设置用户十分钟不活动退出，在缺省授权的基础上，选择操作员用户的相应权限。如图4.20所示。

3）再新建一个用户，命名为管理员，在操作员设置的基础上，我们添加一个退出权限。这样，管理员用户就有退出权限了。

4）最后我们要为图形对象分配特定的访问权限。授权的访问权限将允许或禁止用户访问。我们为退出按钮进行设置。选择此按钮的属性，在其他选项下，我们点击授权，进入授权对话框，我们选择退出激活授权。这样在点击退出按钮时，就会出现一个退出确定画面。

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