基于MPI網絡的自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)

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。

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 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，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 主部PLC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)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1 水廠區(qū)模擬量數(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Q124.0～3控制兩臺泵的工作狀態(tài)。兩臺加壓泵共有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)

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

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