北方国家级林木种苗示范基地 田间灌溉计算机监控系统方案 一、概述 北方国家级林木种苗示范基地位于北京市昌平县北京市大东流苗圃，它担负着中国北方树种的开发、培育、实验和生产多种任务，国家计委计划投资6079万，由北京市林业局负责，对整个苗圃基地进行全面的开发建设。为了有效地管理整个基地，该基地决定建立集中监控室，通过采用先进的科技手段，能够将整个基地的生产，运行情况在集中监控室中显示，记录，分析，以及实现故障排查等实际有效的功能。基地监控系统正是为了实现以上目标而提出的。 二、生产示范区灌溉系统 大田生产示范区的总面积约为50万平方米，区内每隔一定距离设有一个泵房，用于大田的灌溉。供水系统采用变频恒压，各个泵房在供水方面的相互补充。整区共有六个泵房，北边三个，南边三个。每个泵房的工作流程基本一样：用变频器控制水泵从井中抽水，先通过离心过滤器滤掉泥沙，泥沙通过排沙阀排出，纯水加入肥料后送入田中，泵房内的设备大部分时间都是启动着的，因此要求实时，连续的监控，监控的主要信息包括： l 水泵和变频器的工作状态； l 进水阀，排沙阀，出水阀等设备的工作状态； l 出水流量及累计流量； l 各个管道压力信号； l 泵房电源的工作状态 l 设备的各种报警记录和排除报警的动作。 出于设备和人员的安全考虑，系统应该能够根据所收集的信息确定泵房内的灌溉设备的运行状况良好与否。对于超出安全标准或工艺要求的数据要设置报警功能， 并且要按照即定的操作规程尽可能快速的采取措施，排除故障或危险，或恢复系统正常运行。 整个系统基本可以分为两个部分：安装在泵房里的数据采集工作站，和安装在集中控制室里的计算机远程监控显示系统。数据采集站完成对设备的运行状态和检测数据的实时采集和发送，监控显示系统则是利用监控计算机和大屏幕显示系统完成以下的功能： l 与数据采集工作站通讯，接收每个数据采集站发送上来的数据； l 对于报警等意外情况，上位机系统能够给数据采集工作站发出合适的操作命令； l 利用组态软件开发监控应用软件，可以动态地显示灌溉系统的实际运转情况可以对灌溉设备的数据完成存储，统计分析，报表显示，打印记录等处理工作； l 利用投影仪将画面以及其他宣传资料投影到大屏幕上，供参观者浏览； l 能够和温室的控制系统建立通讯，使其成为监控系统的一个组成部分； l 能够将灌溉系统的数据和图象在将来建成的企业内部网上发布，基地的各级管理部门可以根据不同的权限，通过局域网浏览和下载自己所需要的信息； 三、大田生产示范区的监控方案 大田生产示范区中分布的六个泵房是灌溉系统的主要设施，也是监控的主要对象。泵房的位置又比较分散，距离集中控制室比较远。最远的6#泵房距离控制室大约为1100米左右，这样远的距离对信号的传输提出了很高的要求。同时由于传输线路比较长，分支多，因此人工维护管理十分不方便。而且，当泵房的设备发生异常情况时，不能及时排除。根据这些实际情况，监控系统需要解决的问题主要有几个方面： l 采用可靠的数据采集设备，保证信号能够安全，有效的采集； l 数据采集设备与集中控制器之间的通讯，第一要满足如此长的距离，第二能够有较高的传输速度； l 对通讯协议的要求：有良好的纠错能力，有普通适用的传输介质，有充足的备件；便于网络的扩展； l 对集中控制室中的上位机系统的要求：能够提供良好的图形界面；良好的组态操作使得操作人员感到舒适、方便、简洁；监控软件有强大的数据库功能，能够提供数据分析、统计等企业常用的功能；监控软件要有良好的报警提示、记录、分析、处理等功能； l 集中控制室的展示功能，为了给参展人员、科研人员提供整体直观的视觉效果，要求控制室有大屏幕显示系统； l 整体方案的设计要求结构简单、线路清晰，系统的扩展性强。根据上面的这些要求，我们按照目前比较流行的产品类型，为监控系统和大屏幕显示系统分别设计了两套方案，用户可以根据自己的实际情况选择。 1、灌溉系统监控方案 本方案采用目前流行的现场总线系统来设计。现场总线是在最近五六年内在自动化领域兴盛起来的新概念、新模式，它融合了自动控制、计算机、网络、通讯等高科技的核心技术，为自动化系统的开发、应用提供了新的实现方法和工作机制。现场总线的特点是： l 所有的检测信号、控制信号都是以数字量的形式传输，速度更快，抗干扰能力更强； l 真正的网络拓扑结构，使得数据的共享更方便，系统的组合更方便，通讯服务的效率与可靠性更高。 目前许多的大公司都能够提供完善的，可靠的现场总线产品，如西门子、三菱、通用、霍尼韦尔、欧姆龙等等。经综合比较，我们选择了德国西门子公司的Profibus现场总线系列产品，构成一个三层结构（现场采集层、调度监控层、上位管理层）的解决方案。这是一种典型的分布式数据采集系统，为数据的安全、可靠提供了保证，并且具有良好的扩展性。下图给出了系统的结构配置示意图。 第一层的现场采集站是安装在泵房内的数据采集工作站。我们采用了德国西门子公司的S7系列可编程控制器。这种可编程控制器产品结构的优点在于： l S7系列可编程控制器已在各个行业得到普遍使用。大量的应用案例已证明了本产品的可用性、可靠性。 l 安装简便，现场接线迅速，节省工作人员大量时间；产品结构紧凑，组合灵活，扩展方便； l 总线接口控制模块采用标准的Profibus总线通讯协议，Profibus总线通讯协议，速度为2Mbps，最远传输距离为7.8公里，能够满足监控系统通讯的要求； l Profibus总线的通讯介质要求是屏蔽双绞线，可以利用建设灌溉系统时所铺设的预留双绞线电缆，因而降低工程强度，节省了投资； l S7系列可编程控制器产品的编程简单，标准的梯形图编程使得工程人员易学易用。编程方式既可以是手提电脑，也可以使用手持的编程器； 第二层的调度监控站直接采用工业控制计算机和Profibus总线控制卡构成。为了确保系统的长期稳定工作，做到万无一失，可以使用两套工业控制计算机构成双机热备份系统，当一台计算机有问题时，另外一台自动接替工作。使用双机热备份的解决方案把传统意义的中间工作站和上位监控站合二为一，是当今极为流行和实用的解决方案，本方案既保证了系统的可靠性，又简化了系统的构造。使整个系统的可维护性、可扩充性和可管理性得到大幅度提高，使系统的第三层--上位企业管理层能够快速方便地实现。 第三层的上位企业管理层使用基于WWW服务器的方式来实现。各职能管理部门，通过企业的内部网络，使用Windows系统自带的标准浏览器，就能对现场的实时数据和设备的运行状态进行监控。领导即使出差远在千里之外，也能够通过拨号上网，浏览现场的设备工作状态。 组态软件是自动化监控领域流行一种软件开发包，由于它能够提供丰富而又形象的图形资源，简单易学的编程环境，强大的扩展能力，并且随着生产、经营的不断需求，它在数据处理、网络通讯等方面的能力也日益增强。我们MCGS全中文工控组态软件，这个软件的特点和主要功能有： l 全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，真正的32位程序，支持多任务、多线程，可运行于Windows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统； l 庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面； l 全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。 l 支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。 l 简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。 l 强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使管理人员能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。 l 方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数。 l MCGS 5.1提供了一套完善的安全机制，用户能够自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。 l 良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS 5.1组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件连接。 l 使用MCGS 5.1 WWW网络版组态软件，能够方便地实现设备管理与企业管理的集成。在整个企业范围内，使用IE浏览器就可以方便地浏览到实时和历史的生产信息。 四、系统设备清单 调度监控站 设备名称 数量（套） 单价（元） 小计（元） 组态软件开发包 2 工业控制计算机 2 显示器（21”） 2 Profibus总线接口卡 2 操作台 2 UPS电源 1 打印机 1 现场数据采集站（六套） 设备名称 数量（个） 单价（元） 小计（元） S7-CPU处理模块 6 Profibus总线接口模块 6 模拟量输入模块 6 开关量输入模块 6 开关量输出模块 6 现场电控柜 6 Profibus中继模块 2 大屏显示系统 投影机 1 屏幕 1 附件 1