1、基于基于 MPIMPI 網絡的自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)網絡的自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)摘要：摘要：一種自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)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(guī)模的分布式監(jiān)控場合。 ; mso-hansi-font-family: Times NewRoman關鍵詞：關鍵詞：MPI 網絡 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)目前，應用于各種領域和場合的計算機分布式監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)展。此外，所設計的監(jiān)控系統(tǒng)應具有較高的性能價格比也是業(yè)內人士的共識。筆者根據(jù)多年的開發(fā)經驗，設計了一種

2、性能價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，運行效果良好。1 1 監(jiān)控系統(tǒng)的構成監(jiān)控系統(tǒng)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(qū)，二者距離 900m。水源地的任務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，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

3、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。監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)以太網。其中 PROFIBUS 現(xiàn)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(yè)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(jiān)控系統(tǒng)。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(jù)水廠的具體情況

4、，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(tǒng)要求，又相對于 PROFIBUS 網絡節(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(tǒng)的安全運行得到了保障。2 2 主部主部 PLCPLC 控制原理控制原理主站 PLC 有三個任務：（1）水廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集；（2）供水管恒壓力控制；（3）水源地數(shù)據(jù)

5、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(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(xiàn)。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。表表 1 1 水廠區(qū)模擬量數(shù)據(jù)水廠區(qū)模擬

6、量數(shù)據(jù)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(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 Q124.03 控制兩臺泵的工作狀態(tài)。兩

7、臺加壓泵共有 5 種工作狀態(tài)，如表 2 所示。表表 2 2 P1P1 和和 P2P2 水泵的工作狀態(tài)水泵的工作狀態(tài)狀態(tài)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(tǒng)停機5 種工作狀態(tài)的相互轉換如圖 3 所示。當然，實際 PLC 編程時，要根據(jù)水泵的工作特點，應利用定時器加入適當?shù)难訒r，在我們設計的系統(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)

8、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：emine(k) emax,則 U（k）=U(k-1)+k1e(k)+k2ec(k)/(k)式中，k1 和 k2 為系數(shù)。PID 運算的結果 U（k）通過 AO1 輸出（010V），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

9、較理想。關于水源地數(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。當故障產生時，系統(tǒng)停機。圖 5（a）為主站 PLC 的程序結構。3 3 從站從站 PLCPLC 控制原理控制原理三個從站 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(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

10、實現(xiàn)。程序框圖見圖 5（b）所示。4 4 主從站主從站 PLCPLC 的通信的通信主、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 網絡中，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 5 上位上位 PCPC 機編程機編程為了監(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)軟件設計。通過系統(tǒng)變量標簽、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