［摘要］：一種自來水廠分散式監控系統的設計。該系統的主、從站PLC之間採用MPI網路通信，具有運行可靠、性能價格比高的特點，適用於中小規模的分散式監控場合。
［關鍵詞］：MPI網路 PLC 監控系統
摘要：一種自來水廠分散式監控系統的設計。該系統的主、從站PLC之間採用MPI網路通信，具有運行可靠、性能價格比高的特點，適用於中小規模的分散式監控場合。
關鍵詞：MPI網路 PLC 監控系統
目前，應用於各種領域和場合的計算機分散式監控系統種類繁多，設計方法和構成方式各不相同，但共同的目標都是朝著高效、可靠和通用方向發展。此外，所設計的監控系統應具有較高的性能價格比也是業內人士的共識。筆者根據多年的開發經驗，設計了一種性能價格比較高的適用於中小型的分散式數據採集與監控，運行效果良好。
1 監控系統的構成
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，二者距離 900m。水源地的任務是通過三台深井泵對水廠區的蓄水池進行供水；而水廠區的任務是對水池的水進行消毒處理后，通過加壓泵向市區管路進行恆壓供水。
整個監控系統由位於水廠區的上位PC機、主站PLC和水源地的三個從站PLC構成（見圖1）。上位PC機通過CP5611MPI卡與主站PLC完成整個系統的現場數據檢測、數據處理及計量等工作。主站PLC完成兩方面任務，一是水廠區現場數據的採集及市區恆壓供水的控制；二是與水源地的三個從站進行通信，完成水源地現場數據的採集與深井泵的控制。
監控系統的主站和從站PLC都選用西門子S7系列產品。該產品在工程領域應用廣泛，尤其是有較強的是有較強的組網能力。S7系列PLC通常有四種組網方式：點對點、MPI多點網路、Profibus和工業乙太網。其中PROFIBUS現場匯流排的應用目前較為普遍，它有較好的通用性，速度達12Mbps，距離達28.5km，相關應用著作也較多。而其它方式如工業乙太網方式對硬體要求較高；點對點的速度太慢，都不適合本監控系統。相對而言，MPI網路速度可達187.5Mbps；通過一級中繼器可達距離1km。根據水廠的具體情況，我們最後確定了以MPI方式組成網路，主站CPU為s7-300系列的CPU312IFM；從站為S7-200系列的CPU222.這樣既滿足了系統要求，又相對於PROFIBUS網路節省了三分之一的開銷，更重要的是為中小規模場合的分散式監控系統的設計提供了一種較高性能價格比的設計方法。至於中繼器的選擇，由於PLC的物理層採用RS485介面，所以有很多相關的第三方產品支持。從中我們選用一種帶防雷保護的中繼器，使系統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：
（1）水廠現場數據採集；
（2）供水管恆壓力控制；
（3）水源地數據採集及深井泵遠程控制。
以CPU312IMF為核心的主站控制電路如圖2所示。
首先，水廠現場數據有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模擬開關進行擴展，構成8路AI輸入。當AO2輸出0V時，選通4066-1的4路模擬量輸入；而當AO2輸出10V時選通4066-2的4路模擬量。這種分時採集的方法利用PLC編程較易實現。實際應用中，分時操作時間間隔為100ms，各個採集量的含義及內存地址如表1所示。
表1 水廠區模擬量數據
其次，對水廠加壓泵的控制採取變頻調速技術，以供水母管壓力為被控量，實現恆壓力控制。水廠加壓泵有P1和P2兩台，在恆壓力控制過程中，根據市政區用水流量的大小變化，PLC要通過數字輸出埠Q124.0～3控制兩台泵的工作狀態。兩台加壓泵共有5種工作狀態，如表2所示。
表2 P1和P2水泵的工作狀態
5種工作狀態的相互轉換如圖3所示。當然，實際PLC編程時，要根據水泵的工作特點，應利用定時器加入適當的延時，在我們設計的系統中，欠壓加泵延時為90秒；超壓減泵延時為60秒。
供水壓力閉環控制演算法，我們採用一種適用於PLC控制的智能PID演算法[1]。其原理是，按壓力偏差e(k)劃分三個區，如圖4所示。該偏差變化率為ec=e(k)-e(k-1),PID演算法輸出為U（k），相應的控制規則如下：
規則1:e（k）>emax,則U（k）=Umax；最大值輸出
規則2:e(k)<-emax,則U（k）=0；最小值輸出
規則3：|e(k)|<emin,則U(k)=U(k-1)；保持區
規則4：emin≤|e(k)| ≤emax,
則U（k）=U(k-1)+k1×e(k)+k2×ec(k)/(k)
式中，k1和k2為係數。PID運算的結果U（k）通過AO1輸出（0～10V），送給變頻調速器，通過調速加壓泵P1或P2達到供水恆壓控制的目的。經實驗驗證，該PID演算法效果較理想。
關於水源地數據採集及深井泵控制問題，將在後面通信問題中討論。
另外，變頻控制系統中的故障信號分別通過I124.0、I124.1和I124.2輸入PLC中。當故障產生時，系統停機。圖5（a）為主站PLC的程序結構。
3 從站PLC控制原理
三個從站PLC都以CPU222為核心，控制電路及結構相同，分別控制三個取水深水泵的運行及現場數據採集，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場採集通過4路模擬量輸入模塊EM231實現。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場數據的採集。在MPI網路中，各節點的地址分別為：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。主站通過系統功能函數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則由主站PLC進行讀取。
5 上位PC機編程
為了監控PLC的通信，使系統軟體更穩定可靠，上位PC機使用西門子公司的SIMATIC WINCC軟體進行組態軟體設計。通過系統變數標籤、圖形編輯器和報表編輯器等組態工具，可以方便地由主站PLC中獲取整個監控系統的狀態參數及運行數據。另外，我們通過VB編程，對系統數據進行計算和管理；利用DDE技術分別實現VB與WINCC的數據交換、EXCEL與WINCC的數據交換。我們設計的上位機軟體可以實時監測水廠及水源地的各個現場數據、報警狀態；顯示與列印電流、壓力及流量等各種曲線及報表，並將數據存入EXCEL資料庫中。此外，在界面設計上，我們利用動畫技術，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控系統的運行。
本文所述自來水廠分散式監控系統，由於採用MPI網路通信和WINCC組態軟體，使系統在整個上具有較高性價比。在上位機關機時，監控系統在主站PLC控制下仍可正常工作。對於中小規模監控場合，該系統具有較好的推廣價值。
