基于MPI網(wǎng)絡(luò)在水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

周宇侯

【摘要】文章重點介紹了西門子PLC、上位機(jī)和變頻器組成的水廠監(jiān)控系統(tǒng)，通過MPI網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實現(xiàn)蓄水池供水以及自來水的消毒等功能，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

【關(guān)鍵詞】西門子PLC;上位機(jī);變頻器;深井泵

一、系統(tǒng)概述

某水廠由水源地和廠區(qū)兩部分構(gòu)成，水源地有三臺深井泵，負(fù)責(zé)對廠區(qū)的蓄水池供水;廠區(qū)對水池的水進(jìn)行消毒處理，之后用加壓泵進(jìn)行恒壓供水。整個系統(tǒng)采用西門子PLC和上位機(jī)組成的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。

西門子S7系列PLC的MPI網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)187.5Mbit/s;一級中繼傳輸?shù)木嚯x可達(dá)1公里。綜合考慮水廠的實際情況和成本要求，確定MPI的組網(wǎng)方式，主站PLC選型為S7-300系列的CPU312IFM，從站PLC選型為S7-200系列的CPU222，保證了系統(tǒng)很高的性價比。系統(tǒng)采用RS-485接口，網(wǎng)絡(luò)延伸選用防雷保護(hù)的中繼器，保證系統(tǒng)安全。MPI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)MPI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)由位于水廠區(qū)的上位機(jī)、主站PLC、變頻器站和水源區(qū)三個從站PLC組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理及計算等工作，通過CP5611網(wǎng)卡與主站PLC完成。主站PLC完成兩項工作，一是水廠區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及變頻恒壓供水控制，二是與水源地的三從站進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信和控制，完成水源地現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和深水泵控制。

根據(jù)現(xiàn)場情況，數(shù)據(jù)回路有7路模擬量，可以選擇模擬量輸入輸出模塊SM334，該模塊包括4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。同時另選用2片CD4066模擬開關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)成8路模擬量輸入。主站PLC的組成如圖2所示。

圖2 主站PLC控制電路

圖中，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程序較易實現(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。

項目中的變頻器選用西門子公司MM系列產(chǎn)品MM420，該變頻器有專用接口模塊，容易與主站組網(wǎng)。監(jiān)控系統(tǒng)中，水泵P1和P2共有5種工作狀態(tài)，各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件如圖3所示。5種工作狀態(tài)對應(yīng)PLC的輸入輸出狀態(tài)如表2所示，編程時，欠壓加泵和超壓減泵用定時器控制，具體定時時間根據(jù)實際情況確定。

3個從站PLC都采用S7-200PLC，控制電路相同，分別控制3個深水泵的運(yùn)行及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，如圖4所示。圖中Q0.0控制深井泵的運(yùn)行及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，I0.0為深井泵過載信號輸入端，Q0.1為故障報警輸出端，深井泵的水管壓力、深井泵電壓和電流3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)。

表2 5種工作狀態(tài)與PLC I/O狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系

狀態(tài) Q124.0 Q124.1 Q124.2 Q124.3 功能說明

S1 1 0 0 0 P1變頻P2停機(jī)

S2 0 1 1 0 P1工頻P2變頻

S3 0 0 1 0 P1停機(jī)P2變頻

S4 1 0 0 1 P1變頻P2工頻

S0 0 0 0 0 系統(tǒng)停機(jī)

圖3 泵工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

圖4 PLC從站的控制電路

三、系統(tǒng)通信原理及PLC程序編制

本系統(tǒng)按主從方式控制和管理全網(wǎng)，由主站隨機(jī)提出通信任務(wù)，采用非周期發(fā)送請求方式傳輸數(shù)據(jù)。

通信任務(wù)是預(yù)先在主站中輸入一張輪詢表，該表定義了此主站應(yīng)輪流詢問的從站，按MPI網(wǎng)絡(luò)的通信規(guī)則，各點的地址分別為：上位機(jī)PC為0;主站PLC為2;從站1的PLC為4;從站2的PLC為6;從站3的PLC為8。主站通過系統(tǒng)功能函數(shù)SFC67和SFC68分別對3個從站進(jìn)行讀和寫操作。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的控制工藝要求，主站S7-300PLC和從站S7-200PLC的程序流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)PLC程序流程

設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)時，為實時觀察供水泵和深井泵的運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)故障，在上位機(jī)上安裝了組態(tài)軟件，MPI網(wǎng)絡(luò)畫面如圖1所示，每臺供水泵和深水泵的局部動態(tài)畫面以及報警畫面。工藝控制曲線包括供水管實時壓力曲線，歷史曲線，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)工具可設(shè)定變頻器的上、下限頻率，供水管的各種壓力參數(shù)，也可隨時調(diào)用各歷史曲線，達(dá)到實時控制的目的。用多點網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)設(shè)計的自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)多年的實際運(yùn)行證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，報警及時，且供水壓力恒定，這項技術(shù)對于中、小規(guī)模監(jiān)控場合，具有較好的推廣價值。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉華.高精度溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[D].西安工業(yè)大學(xué)碩士論文，2013（4）.

[2]王兆明.電氣控制與PLC技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010（4）.

[3]何希才.常用傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計與實踐[M].科學(xué)出版社，2007（9）.

[4]廖常初.FX系列PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005（4）.