摘? 要: 一種自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的主、從站PLC之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)通信,具有運(yùn)行可靠、性能價(jià)格比高的特點(diǎn),適用于中小規(guī)模的分布式監(jiān)控場合。?

　　關(guān)鍵詞: MPI網(wǎng)絡(luò)? PLC? 監(jiān)控系統(tǒng)?

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　　目前,應(yīng)用于各種領(lǐng)域和場合的計(jì)算機(jī)分布式監(jiān)控系統(tǒng)種類繁多,設(shè)計(jì)方法和構(gòu)成方式各不相同,但共同的目標(biāo)都是朝著高效、可靠和通用方向發(fā)展。此外,所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有較高的性能價(jià)格比也是業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。筆者根據(jù)多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一種性能價(jià)格比較高的適用于中小型規(guī)模場合的分布式監(jiān)控系統(tǒng),并應(yīng)用于某自來水廠的分布式數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控,運(yùn)行效果良好。?

1 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成?

??? 某自來水廠按功能分為兩部分,一部分是水源地;另一部分是水廠區(qū),二者距離900m。水源地的任務(wù)是通過三臺(tái)深井泵對(duì)水廠區(qū)的蓄水池進(jìn)行供水;而水廠區(qū)的任務(wù)是對(duì)水池的水進(jìn)行消毒處理后,通過加壓泵向市區(qū)管路進(jìn)行恒壓" title="恒壓">恒壓供水。?

　　整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由位于水廠區(qū)的上位PC機(jī)、主站PLC和水源地的三個(gè)從站PLC構(gòu)成(見圖1)。上位PC機(jī)通過CP5611MPI卡與主站PLC完成整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理及計(jì)量等工作。主站PLC完成兩方面任務(wù),一是水廠區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及市區(qū)恒壓供水的控制;二是與水源地的三個(gè)從站進(jìn)行通信,完成水源地現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與深井泵的控制。?

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　　監(jiān)控系統(tǒng)的主站和從站PLC都選用西門子S7系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,尤其是有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力。S7系列PLC通常有四種組網(wǎng)方式:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、MPI多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)。其中PROFIBUS現(xiàn)場總線的應(yīng)用目前較為普遍,它有較好的通用性,速度達(dá)12Mbps,距離達(dá)28.5km,相關(guān)應(yīng)用著作也較多。而其它方式如工業(yè)以太網(wǎng)方式對(duì)硬件要求較高;點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的速度太慢,都不適合本監(jiān)控系統(tǒng)。相對(duì)而言,MPI網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)187.5Mbps;通過一級(jí)中繼器可達(dá)距離1km。根據(jù)水廠的具體情況,我們最后確定了以MPI方式組成網(wǎng)絡(luò),主站CPU為S7-300系列的CPU312IFM;從站為S7-200系列的CPU222。這樣既滿足了系統(tǒng)要求,又相對(duì)于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)節(jié)省了三分之一的開銷,更重要的是為中小規(guī)模場合的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種較高性能價(jià)格比的設(shè)計(jì)方法。至于中繼器的選擇,由于PLC的物理層采用RS485接口,所以有很多相關(guān)的第三方產(chǎn)品支持。從中我們選用一種帶防雷保護(hù)的中繼器,使系統(tǒng)的安全運(yùn)行得到了保障。?

2 主站PLC控制原理?

??? 主站PLC有三個(gè)任務(wù):?

　　(1)水廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集;?

　　(2)供水管恒壓力控" title="力控">力控制;?

　　(3)水源地?cái)?shù)據(jù)采集及深井泵遠(yuǎn)程控制。?

??? 以CPU312IMF為核心的主站控制電路如圖2所示。?

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??? 首先,水廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)有7路模擬量,我們選擇的AI/AO擴(kuò)展模塊為SM334,它包括4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。為降低成本,我們用2片CD4066模擬開關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展,構(gòu)成8路AI輸入。當(dāng)AO2輸出0V時(shí),選通4066-1的4路模擬量輸入;而當(dāng)AO2輸出10V時(shí)選通4066-2的4路模擬量。這種分時(shí)采集的方法利用PLC編程較易實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用中,分時(shí)操作時(shí)間間隔為100ms,各個(gè)采集量的含義及內(nèi)存地址如表1所示。?

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　　其次,對(duì)水廠加壓泵的控制采取變頻調(diào)速技術(shù),以供水母管壓力為被控量,實(shí)現(xiàn)恒壓力控制。水廠加壓泵有P1和P2兩臺(tái),在恒壓力控制過程中,根據(jù)市政區(qū)用水流量的大小變化,PLC要通過數(shù)字輸出端口Q124.0～3控制兩臺(tái)泵的工作狀態(tài)" title="工作狀態(tài)">工作狀態(tài)。兩臺(tái)加壓泵共有5種工作狀態(tài),如表2所示。?

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　　5種工作狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換如圖3所示。當(dāng)然,實(shí)際PLC編程時(shí),要根據(jù)水泵的工作特點(diǎn),應(yīng)利用定時(shí)器加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí),在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,欠壓加泵延時(shí)為90秒;超壓減泵延時(shí)為60秒。?

??? 供水壓力閉環(huán)控制算法,我們采用一種適用于PLC控制的智能PID算法^[1]。其原理是,按壓力偏差e(k)劃分三個(gè)區(qū),如圖4所示。該偏差變化率為e_c=e(k)-e(k-1),PID算法輸出為U(k),相應(yīng)的控制規(guī)則如下:?

??? 規(guī)則1:e(k)>e_max,則U(k)=U_max;最大值輸出?

??? 規(guī)則2:e(k)<-e_max,則U(k)=0;最小值輸出 ?

　　規(guī)則3:|e(k)|min,則U(k)=U(k-1);保持區(qū)?

　　規(guī)則4:e_min≤|e(k)|≤e_max,?

??? 則U(k)=U(k-1)+k1×e(k)+k2×e_c(k)/e(k)?

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??? 式中,k1和k2為系數(shù)。PID運(yùn)算的結(jié)果U(k)通過AO1輸出(0～10V),送給變頻調(diào)速器,通過調(diào)速加壓泵P1或P2達(dá)到供水恒壓控制的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該P(yáng)ID算法效果較理想。

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　　關(guān)于水源地?cái)?shù)據(jù)采集及深井泵控制問題,將在后面通信問題中討論。?

　　另外,變頻控制系統(tǒng)中的故障信號(hào)分別通過I124.0、I124.1和I124.2輸入PLC中。當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí),系統(tǒng)停機(jī)。圖5(a)為主站PLC的程序結(jié)構(gòu)。?

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3 從站PLC控制原理?

??? 三個(gè)從站PLC都以CPU222為核心,控制電路及結(jié)構(gòu)相同,分別控制三個(gè)取水深水泵的運(yùn)行及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,如圖6所示。其中Q0.0控制深井泵的運(yùn)行,I0.0為深井泵過載信號(hào)輸入端,Q0.1為故障報(bào)警輸出端。深井的水管壓力、深井泵電壓和電流三路模擬信號(hào)的現(xiàn)場采集通過4路模擬量輸入模塊EM231實(shí)現(xiàn)。程序框圖見圖5(b)所示。?

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4 主從站PLC的通信?

　　主、從站PLC的通信主要是完成水源地深井泵的控制及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。在MPI網(wǎng)絡(luò)中,各節(jié)點(diǎn)的地址分別為:PC機(jī)為0;主站PLC為2;從站1 PLC為4;從站2 PLC為6;從站3PLC為8。主站通過系統(tǒng)功能函數(shù)SFC67和SFC68分別對(duì)三個(gè)從站進(jìn)行讀和寫操作。具體說,主站PLC的M8.0實(shí)現(xiàn)深井泵的啟停控制,而深井泵的壓力、電壓、電流和過載故障信號(hào)則由主站PLC進(jìn)行讀取。?

5 上位PC機(jī)編程?

　　為了監(jiān)控PLC的通信,使系統(tǒng)軟件更穩(wěn)定可靠,上位PC機(jī)使用西門子公司的SIMATIC WINCC軟件進(jìn)行組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。通過系統(tǒng)變量標(biāo)簽、圖形編輯器和報(bào)表編輯器等組態(tài)工具,可以方便地由主站PLC中獲取整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)。另外,我們通過VB編程,對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和管理;利用DDE技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)VB與WINCC的數(shù)據(jù)交換、EXCEL與WINCC的數(shù)據(jù)交換。我們?cè)O(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測水廠及水源地的各個(gè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài);顯示與打印電流、壓力及流量等各種曲線及報(bào)表,并將數(shù)據(jù)存入EXCEL數(shù)據(jù)庫中。此外,在界面設(shè)計(jì)上,我們利用動(dòng)畫技術(shù),使界面更友好、生動(dòng),且操作方便。通過人機(jī)交互,可以方便地控制整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。?

　　本文所述自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng),由于采用MPI網(wǎng)絡(luò)通信和WINCC組態(tài)軟件,使系統(tǒng)在整體上具有較高性價(jià)比。在上位機(jī)關(guān)機(jī)時(shí),監(jiān)控系統(tǒng)在主站PLC控制下仍可正常工作。對(duì)于中小規(guī)模監(jiān)控場合,該系統(tǒng)具有較好的推廣價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)?

1 李 眾,李 彥,張文淵.一種應(yīng)用于PLC的智能PLC控制方法. 電氣自動(dòng)化, 1998(5)?

2 SIMATIC S7-200系統(tǒng)手冊(cè). 北京:西門子公司,1996?

3 SIMATIC S7-300系統(tǒng)手冊(cè). 北京:西門子公司,1996?

4 WINCC4.0 使用手冊(cè). 北京:西門子公司,1998?