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基于MPI網(wǎng)絡(luò)的自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)
摘要：一種自來水廠分布式監(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(chǎng)合。關(guān)鍵詞：MPI網(wǎng)絡(luò)PLC監(jiān)控系統(tǒng)
目前，應(yīng)用于各種領(lǐng)域和場(chǎng)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的分布式數(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(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)、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(chǎng)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(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與深井泵的控制。
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(chǎng)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(chǎng)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主部PLC控制原理
主站PLC有三個(gè)任務(wù)：
�。�1）水廠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；
�。�2）供水管恒壓力控制；
�。�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。
首先，水廠現(xiàn)場(chǎng)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。
表1水廠區(qū)模擬量數(shù)據(jù)
名稱AI地址內(nèi)存AO2輸出（V）含義電壓PIW256MW00變頻控制柜電源電壓電流1PIW258MW201#水泵工作電流電流2PIW260MW402#水泵工作電流備用PIW262MW60備用流量PIW256MW1010供水流量壓力PIW258MW1210供水母管壓力液位PIW260MW1410蓄水池液位余氯PIW262MW1610蓄水池水中余氯含量
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)。兩臺(tái)加壓泵共有5種工作狀態(tài)，如表2所示。
表2P1和P2水泵的工作狀態(tài)
狀態(tài)Q124.0.1.2.3說明S11000P1變頻P2停機(jī)S20110P1工頻P2變頻S30010P1停機(jī)P2變頻S41001P1變頻P2工頻S00000系統(tǒng)停機(jī)
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ec=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）>emax,則U（k）=Umax；最大值輸出
規(guī)則2:e(k)<-emax,則U（k）=0；最小值輸出
規(guī)則3：|e(k)|<emin,則U(k)=U(k-1)；保持區(qū)
規(guī)則4：emin≤|e(k)|≤emax,
則U（k）=U(k-1)+k1×e(k)+k2×ec(k)/(k)
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。
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)。
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(chǎng)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(chǎng)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。
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(chǎng)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1PLC為4；從站2PLC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�？刂�，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SIMATICWINCC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(cè)水廠及水源地的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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)在整個(gè)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(chǎng)合，該系統(tǒng)具有較好的推廣價(jià)值。
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