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基于MPI網(wǎng)絡(luò)的自來(lái)水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)
摘要：一種自來(lái)水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的主、從站PLC之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)通信，具有運(yùn)行可靠、性能價(jià)格比高的特點(diǎn)，適用于中小規(guī)模的分布式監(jiān)控場(chǎng)合。目前，應(yīng)用于各種領(lǐng)域和場(chǎng)合的計(jì)算機(jī)分布式監(jiān)控系統(tǒng)種類繁多，設(shè)計(jì)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(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有較高的性能價(jià)格比也是業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。筆者根據(jù)多年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種性能價(jià)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(yùn)行效果良好。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成
某自來(lái)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(guò)三臺(tái)深井泵對(duì)水廠區(qū)的蓄水池進(jìn)行供水；而水廠區(qū)的任務(wù)是對(duì)水池的水進(jìn)行消毒處理后，通過(guò)加壓泵向市區(qū)管路進(jìn)行恒壓供水。
整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由位于水廠區(qū)的上位PC機(jī)、主站PLC和水源地的三個(gè)從站PLC構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。上位PC機(jī)通過(guò)CP5611MPI卡與主站PLC完成整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理及計(jì)量等工作。主站PLC完成兩方面任務(wù)，一是水廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)從站進(jìn)行通信，完成水源地現(xiàn)場(chǎng)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(chǎn)品。該產(chǎn)品在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是有較強(qiáng)的是有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力。S7系列PLC通常有四種組網(wǎng)方式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、MPI多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)。其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)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(duì)硬件要求較高；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的速度太慢，都不適合本監(jiān)控系統(tǒng)。相對(duì)而言，MPI網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)187.5Mbps；通過(guò)一級(jí)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(duì)于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)節(jié)省了三分之一的開(kāi)銷，更重要的是為中小規(guī)模場(chǎng)合的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種較高性能價(jià)格比的設(shè)計(jì)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(hù)的中繼器，使系統(tǒng)的安全運(yùn)行得到了保障。
2 主部PLC控制原理
主站PLC有三個(gè)任務(wù)：
（1）水廠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；
（2）供水管恒壓力控制；
（3）水源地?cái)?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。
首先，水廠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)有7路模擬量，我們選擇的AI/AO擴(kuò)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(kāi)關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)成8路AI輸入。當(dāng)AO2輸出0V時(shí)，選通4066-1的4路模擬量輸入；而當(dāng)AO2輸出10V時(shí)選通4066-2的4路模擬量。這種分時(shí)采集的方法利用PLC編程較易實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用中，分時(shí)操作時(shí)間間隔為100ms，各個(gè)采集量的含義及內(nèi)存地址如表1所示。
表1 水廠區(qū)模擬量數(shù)據(jù)
其次，對(duì)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(shí)現(xiàn)恒壓力控制。水廠加壓泵有P1和P2兩臺(tái)，在恒壓力控制過(guò)程中，根據(jù)市政區(qū)用水流量的大小變化，PLC要通過(guò)數(shù)字輸出端口Q124.0～3控制兩臺(tái)泵的工作狀態(tài)。兩臺(tái)加壓泵共有5種工作狀態(tài)，如表2所示。
表2 P1和P2水泵的工作狀態(tài)
5種工作狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換如圖3所示。當(dāng)然，實(shí)際PLC編程時(shí)，要根據(jù)水泵的工作特點(diǎn)，應(yīng)利用定時(shí)器加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，欠壓加泵延時(shí)為90秒；超壓減泵延時(shí)為60秒。
供水壓力閉環(huán)控
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