《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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)

2008-11-21
作者：于 洋 林洪濤 張明楊

　　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。該系統(tǒng)的主、從站PLC之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)通信,具有運行可靠、性能價格比高的特點,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)域和場合的計算機分布式監(jiān)控系統(tǒng)種類繁多,設(shè)計方法和構(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)計的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有較高的性能價格比也是業(yè)內(nèi)人士的共識。筆者根據(jù)多年的開發(fā)經(jīng)驗,設(shè)計了一種性能價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)是通過三臺深井泵對水廠區(qū)的蓄水池進行供水;而水廠區(qū)的任務(wù)是對水池的水進行消毒處理后,通過加壓泵向市區(qū)管路進行恒壓" title="恒壓">恒壓供水。?

　　整個監(jiān)控系統(tǒng)由位于水廠區(qū)的上位PC機、主站PLC和水源地的三個從站PLC構(gòu)成(見圖1)。上位PC機通過CP5611MPI卡與主站PLC完成整個系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理及計量等工作。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從站進行通信,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,尤其是有較強的組網(wǎng)能力。S7系列PLC通常有四種組網(wǎng)方式:點對點、MPI多點網(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)方式對硬件要求較高;點對點的速度太慢,都不適合本監(jiān)控系統(tǒng)。相對而言,MPI網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)187.5Mbps;通過一級中繼器可達(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)計提供了一種較高性能價格比的設(shè)計方法。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的中繼器,使系統(tǒng)的安全運行得到了保障。?

2 主站PLC控制原理?

??? 主站PLC有三個任務(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)水源地數(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)進行擴展,構(gòu)成8路AI輸入。當(dāng)AO2輸出0V時,選通4066-1的4路模擬量輸入;而當(dāng)AO2輸出10V時選通4066-2的4路模擬量。這種分時采集的方法利用PLC編程較易實現(xiàn)。實際應(yīng)用中,分時操作時間間隔為100ms,各個采集量的含義及內(nèi)存地址如表1所示。?

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　　其次,對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,實現(xiàn)恒壓力控制。水廠加壓泵有P1和P2兩臺,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控制兩臺泵的工作狀態(tài)" title="工作狀態(tài)">工作狀態(tài)。兩臺加壓泵共有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,實際PLC編程時,要根據(jù)水泵的工作特點,應(yīng)利用定時器加入適當(dāng)?shù)难訒r,在我們設(shè)計的系統(tǒng)中,欠壓加泵延時為90秒;超壓減泵延時為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)|min,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)/e(k)?

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??? 式中,k1和k2為系數(shù)。PID運算的結(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)實驗驗證,該PID算法效果較理想。

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　　關(guān)于水源地數(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)中的故障信號分別通過I124.0、I124.1和I124.2輸入PLC中。當(dāng)故障產(chǎn)生時,系統(tǒng)停機。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,分別控制三個取水深水泵的運行及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,如圖6所示。其中Q0.0控制深井泵的運行,I0.0為深井泵過載信號輸入端,Q0.1為故障報警輸出端。深井的水管壓力、深井泵電壓和電流三路模擬信號的現(xiàn)場采集通過4路模擬量輸入模塊EM231實現(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)點的地址分別為:PC機為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分別對三個從站進行讀和寫操作。具體說,主站PLC的M8.0實現(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則由主站PLC進行讀取。?

5 上位PC機編程?

　　為了監(jiān)控PLC的通信,使系統(tǒng)軟件更穩(wěn)定可靠,上位PC機使用西門子公司的SIMATIC WINCC軟件進行組態(tài)軟件設(shè)計。通過系統(tǒng)變量標(biāo)簽、圖形編輯器和報表編輯器等組態(tài)工具,可以方便地由主站PLC中獲取整個監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及運行數(shù)據(jù)。另外,我們通過VB編程,對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行計算和管理;利用DDE技術(shù)分別實現(xiàn)VB與WINCC的數(shù)據(jù)交換、EXCEL與WINCC的數(shù)據(jù)交換。我們設(shè)計的上位機軟件可以實時監(jiān)測水廠及水源地的各個現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報警狀態(tài);顯示與打印電流、壓力及流量等各種曲線及報表,并將數(shù)據(jù)存入EXCEL數(shù)據(jù)庫中。此外,在界面設(shè)計上,我們利用動畫技術(shù),使界面更友好、生動,且操作方便。通過人機交互,可以方便地控制整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行。?

　　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比。在上位機關(guān)機時,監(jiān)控系統(tǒng)在主站PLC控制下仍可正常工作。對于中小規(guī)模監(jiān)控場合,該系統(tǒng)具有較好的推廣價值。?

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. 電氣自動化, 1998(5)?

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

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

4 WINCC4.0 使用手冊. 北京:西門子公司,1998?

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