自來水廠監控研究論文

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摘要：一種自來水廠分布式監控系統的設計。該系統的主、從站PLC之間采用MPI網絡通信，具有運行可靠、性能價格比高的特點，適用于中小規模的分布式監控場合。

關鍵詞：MPI網絡PLC監控系統

目前，應用于各種領域和場合的計算機分布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于中小型的分布式數據采集與監控，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臺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恒壓供水。

整個監控系統由位于水廠區的上位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采集及市區恒壓供水的控制；二是與水源地的三個從站進行通信，完成水源地現場數據的采集與深井泵的控制。

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多點網絡、PROFIBUS和工業以太網。其中PROFIBUS現場總線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。而其它方式如工業以太網方式對硬件要求較高；點對點的速度太慢，都不適合本監控系統。相對而言，MPI網絡速度可達187.5Mbps；通過一級中繼器可達距離1km。根據水廠的具體情況，我們最后確定了以MPI方式組成網絡，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，又相對于PROFIBUS網絡節省了三分之一的開銷，更重要的是為中小規模場合的分布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主部PLC控制原理

主站PLC有三個任務：

（1）水廠現場數據采集；

（2）供水管恒壓力控制；

（3）水源地數據采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。這種分時采集的方法利用PLC編程較易實現。實際應用中，分時操作時間間隔為100ms，各個采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

名稱AI地址內存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，對水廠加壓泵的控制采取變頻調速技術，以供水母管壓力為被控量，實現恒壓力控制。水廠加壓泵有P1和P2兩臺，在恒壓力控制過程中，根據市政區用水流量的大小變化，PLC要通過數字輸出端口Q124.0～3控制兩臺泵的工作狀態。兩臺加壓泵共有5種工作狀態，如表2所示。

表2P1和P2水泵的工作狀態

狀態Q124.0.1.2.3說明

S11000P1變頻P2停機

S20110P1工頻P2變頻

S30010P1停機P2變頻

S41001P1變頻P2工頻

S00000系統停機

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，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為系數。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達到供水恒壓控制的目的。經實驗驗證，該PID算法效果較理想。

關于水源地數據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場采集通過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采集。在MPI網絡中，各節點的地址分別為：PC機為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，使系統軟件更穩定可靠，上位PC機使用西門子公司的SIMATICWINCC軟件進行組態軟件設計。通過系統變量標簽、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件可以實時監測水廠及水源地的各個現場數據、報警狀態；顯示與打印電流、壓力及流量等各種曲線及報表，并將數據存入EXCEL數據庫中。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布式監控系統，由于采用MPI網絡通信和WINCC組態軟件，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。對于中小規模監控場合，該系統具有較好的推廣價值。