西門子S7-200和無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的SCADA系統(tǒng)在水廠中的應(yīng)用

一、概述

　　某自來(lái)水廠控制系統(tǒng)由分布在十幾公里內(nèi)5個(gè)深井取水泵站、儲(chǔ)水池、用戶管網(wǎng)組成。整個(gè)供水系統(tǒng)的高低落差達(dá)150米左右，由于供水系統(tǒng)的組成及地形結(jié)構(gòu)的特殊性，過(guò)去人工監(jiān)控，給生產(chǎn)管理、供水調(diào)度帶來(lái)諸多不便。

　　實(shí)施了微機(jī)監(jiān)控后，它能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)（如壓力、流量、水位、電壓、電流等），控制深井泵、監(jiān)視泵機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)提供生產(chǎn)管理所需的報(bào)表、曲線、數(shù)據(jù)查詢等功能。它的運(yùn)行對(duì)供水系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、科學(xué)調(diào)度有著重要的意義。

二、系統(tǒng)組成

　　微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)、分布式無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控方式（簡(jiǎn)稱SCADA），如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、無(wú)線通信系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端、傳感器及儀表四部分組成。

　　監(jiān)控中心：由微機(jī)、MCGS組態(tài)軟件，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、全向天線、模擬屏及UPS組成，主要完成各現(xiàn)場(chǎng)終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印報(bào)表、數(shù)據(jù)查詢等功能。

　　無(wú)線通信系統(tǒng)：監(jiān)控中心與各泵站終端之間采用無(wú)線方式通

　　訊。監(jiān)控中心為主動(dòng)站，其它終端副站為被動(dòng)從站，該系統(tǒng)采用無(wú)線電管理委員會(huì)給定的數(shù)據(jù)頻率，以一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式與從站通訊，監(jiān)控中心為全向天線，各副站為定向天線。

　　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端：核心為PLC，是一個(gè)智能設(shè)備，它有自己的CPU和控制軟件，主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)警、控制等功能，并通過(guò)無(wú)線信道與監(jiān)控中心微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)監(jiān)控中心的命令分別完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)傳送、控制輸出等任務(wù)。

　　傳感器及儀表：是PLC監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的“眼睛”，現(xiàn)場(chǎng)所有信號(hào)都需經(jīng)過(guò)傳感器及儀表的轉(zhuǎn)換，才能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，被PLC終端所接受。系統(tǒng)主要測(cè)量電壓、電流、液位、壓力、流量及耗電量等參數(shù)。

　　水源井輸水泵的控制

　　l 手動(dòng)控制。操作員根據(jù)清水池液位對(duì)輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

　　l 自動(dòng)控制。PLC根據(jù)清水池液位及各輸水泵起動(dòng)水位和停止水位，對(duì)處于自動(dòng)方式的輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

三、現(xiàn)場(chǎng)PLC終端

　　現(xiàn)場(chǎng)PLC監(jiān)控終端是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心之間的橋梁紐帶，一方面它采集現(xiàn)場(chǎng)儀表、變送器、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)，另一方面它又與監(jiān)控中心通訊，執(zhí)行有關(guān)命令?，F(xiàn)場(chǎng)終端一般無(wú)人值守。因此，終端機(jī)的性能和質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的可靠性影響很大。經(jīng)充分論證，選用西門子S7-200系列PLC作現(xiàn)場(chǎng)終端具有較高的性能價(jià)格比，它具有體積小、易擴(kuò)展、性能優(yōu)等特點(diǎn)，非常適合小規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

　　1、PLC硬件設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場(chǎng)某一終端需測(cè)控開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)路，模擬量輸入信號(hào)。因此，我們選用S7-212基本單元，模擬輸入擴(kuò)展單元（EM231），模擬輸出擴(kuò)展單元（EM232）。滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

　　2、通訊接口

　　從站中PLC與電臺(tái)通訊： S7-214PLC基本單元提供一個(gè)RS-485接口，為了與無(wú)線信道的數(shù)傳機(jī)（電源、數(shù)傳電臺(tái)）相連，我們專門設(shè)計(jì)了RS- 485接口的專用Modem，并采用光電隔離技術(shù)，使二者在電氣上完全獨(dú)立，避免相互干擾，由于數(shù)傳機(jī)發(fā)射時(shí)需要RTS信號(hào)，而RS-485接口又不提供 RTS信號(hào)，解決這個(gè)問(wèn)題有兩處方法。其一，由無(wú)線Modem根據(jù)PLC的發(fā)射信息產(chǎn)生RTS信號(hào)，這就要求該Modem必須智能化，同時(shí)PLC在發(fā)送信息之前需先與Modem通信，讓其輸出RTS信號(hào)，并回送RTS已產(chǎn)生信息，然后PLC再發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)信息。其二，采用PLC的某一I/O輸出點(diǎn)，產(chǎn)生RTS 信號(hào)，由PLC在發(fā)送信息前現(xiàn)接通該點(diǎn)，控制數(shù)傳機(jī)發(fā)射，延時(shí)一段時(shí)間后（電臺(tái)建立載波時(shí)間），再發(fā)送信息。后一種方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，較好的解決了無(wú)線通信的接口問(wèn)題。

　　主控室的PLC與工控機(jī)的通訊：因?yàn)橹骺厥业腜LC要和數(shù)傳電臺(tái)通訊又要和上位機(jī)（工控機(jī)）通訊，所以主控室的PLC選用兩端口的S7-216基本單元，其中一端口與數(shù)傳電臺(tái)通訊，另一端口直接用西門子的PPI電纜和上位機(jī)通訊，上位用北京昆侖通態(tài)提供的MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)和編程，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的水位等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和處理。

一、概述

　　某自來(lái)水廠控制系統(tǒng)由分布在十幾公里內(nèi)5個(gè)深井取水泵站、儲(chǔ)水池、用戶管網(wǎng)組成。整個(gè)供水系統(tǒng)的高低落差達(dá)150米左右，由于供水系統(tǒng)的組成及地形結(jié)構(gòu)的特殊性，過(guò)去人工監(jiān)控，給生產(chǎn)管理、供水調(diào)度帶來(lái)諸多不便。

　　實(shí)施了微機(jī)監(jiān)控后，它能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)（如壓力、流量、水位、電壓、電流等），控制深井泵、監(jiān)視泵機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)提供生產(chǎn)管理所需的報(bào)表、曲線、數(shù)據(jù)查詢等功能。它的運(yùn)行對(duì)供水系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、科學(xué)調(diào)度有著重要的意義。

二、系統(tǒng)組成

　　微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)、分布式無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控方式（簡(jiǎn)稱SCADA），如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、無(wú)線通信系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端、傳感器及儀表四部分組成。

　　監(jiān)控中心：由微機(jī)、MCGS組態(tài)軟件，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、全向天線、模擬屏及UPS組成，主要完成各現(xiàn)場(chǎng)終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印報(bào)表、數(shù)據(jù)查詢等功能。

　　無(wú)線通信系統(tǒng)：監(jiān)控中心與各泵站終端之間采用無(wú)線方式通

　　訊。監(jiān)控中心為主動(dòng)站，其它終端副站為被動(dòng)從站，該系統(tǒng)采用無(wú)線電管理委員會(huì)給定的數(shù)據(jù)頻率，以一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式與從站通訊，監(jiān)控中心為全向天線，各副站為定向天線。

　　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端：核心為PLC，是一個(gè)智能設(shè)備，它有自己的CPU和控制軟件，主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)警、控制等功能，并通過(guò)無(wú)線信道與監(jiān)控中心微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)監(jiān)控中心的命令分別完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)傳送、控制輸出等任務(wù)。

　　傳感器及儀表：是PLC監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的“眼睛”，現(xiàn)場(chǎng)所有信號(hào)都需經(jīng)過(guò)傳感器及儀表的轉(zhuǎn)換，才能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，被PLC終端所接受。系統(tǒng)主要測(cè)量電壓、電流、液位、壓力、流量及耗電量等參數(shù)。

　　水源井輸水泵的控制

　　l 手動(dòng)控制。操作員根據(jù)清水池液位對(duì)輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

　　l 自動(dòng)控制。PLC根據(jù)清水池液位及各輸水泵起動(dòng)水位和停止水位，對(duì)處于自動(dòng)方式的輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

三、現(xiàn)場(chǎng)PLC終端

　　現(xiàn)場(chǎng)PLC監(jiān)控終端是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心之間的橋梁紐帶，一方面它采集現(xiàn)場(chǎng)儀表、變送器、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)，另一方面它又與監(jiān)控中心通訊，執(zhí)行有關(guān)命令?，F(xiàn)場(chǎng)終端一般無(wú)人值守。因此，終端機(jī)的性能和質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的可靠性影響很大。經(jīng)充分論證，選用西門子S7-200系列PLC作現(xiàn)場(chǎng)終端具有較高的性能價(jià)格比，它具有體積小、易擴(kuò)展、性能優(yōu)等特點(diǎn)，非常適合小規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

　　1、PLC硬件設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場(chǎng)某一終端需測(cè)控開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)路，模擬量輸入信號(hào)。因此，我們選用S7-212基本單元，模擬輸入擴(kuò)展單元（EM231），模擬輸出擴(kuò)展單元（EM232）。滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

　　2、通訊接口

　　從站中PLC與電臺(tái)通訊： S7-214PLC基本單元提供一個(gè)RS-485接口，為了與無(wú)線信道的數(shù)傳機(jī)（電源、數(shù)傳電臺(tái)）相連，我們專門設(shè)計(jì)了RS- 485接口的專用Modem，并采用光電隔離技術(shù)，使二者在電氣上完全獨(dú)立，避免相互干擾，由于數(shù)傳機(jī)發(fā)射時(shí)需要RTS信號(hào)，而RS-485接口又不提供 RTS信號(hào)，解決這個(gè)問(wèn)題有兩處方法。其一，由無(wú)線Modem根據(jù)PLC的發(fā)射信息產(chǎn)生RTS信號(hào)，這就要求該Modem必須智能化，同時(shí)PLC在發(fā)送信息之前需先與Modem通信，讓其輸出RTS信號(hào)，并回送RTS已產(chǎn)生信息，然后PLC再發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)信息。其二，采用PLC的某一I/O輸出點(diǎn)，產(chǎn)生RTS 信號(hào)，由PLC在發(fā)送信息前現(xiàn)接通該點(diǎn)，控制數(shù)傳機(jī)發(fā)射，延時(shí)一段時(shí)間后（電臺(tái)建立載波時(shí)間），再發(fā)送信息。后一種方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，較好的解決了無(wú)線通信的接口問(wèn)題。

　　主控室的PLC與工控機(jī)的通訊：因?yàn)橹骺厥业腜LC要和數(shù)傳電臺(tái)通訊又要和上位機(jī)（工控機(jī)）通訊，所以主控室的PLC選用兩端口的S7-216基本單元，其中一端口與數(shù)傳電臺(tái)通訊，另一端口直接用西門子的PPI電纜和上位機(jī)通訊，上位用北京昆侖通態(tài)提供的MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)和編程，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的水位等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和處理。

　　3、抗干擾設(shè)計(jì)

　　為提高系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)終端、數(shù)傳機(jī)、PLC、直流溫壓電源及部分變送器裝于一個(gè)控制柜內(nèi)，各部分相對(duì)獨(dú)立，便于維護(hù)。PLC開(kāi)關(guān)量輸入、輸出與現(xiàn)場(chǎng)之間加繼電器隔離，模擬信號(hào)采用信號(hào)隔離器和配電器隔離，電源采用隔離變壓器供電，以減小電源“噪聲”，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置良好的接地。

四、PLC軟件設(shè)計(jì)

　　PLC終端軟件采用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)，為提高終端的抗干擾能力，軟件設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字濾波、故障自檢、控制口令等措施，保證控制操作的正確性和可靠性。程序設(shè)計(jì)采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)、擴(kuò)展。終端軟件主要由下列模塊組成。

　　1、初始化程序：設(shè)定各寄存器、計(jì)數(shù)器、PLC工作模式、通信方式等參數(shù)初始值。

　　2、數(shù)據(jù)采集子程序：對(duì)各路模擬量數(shù)據(jù)采集、濾波、平均等處理。

　　3、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間子程序：對(duì)泵機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累計(jì)。

　　4、遙信子程序：檢測(cè)電機(jī)、閥門、報(bào)警開(kāi)關(guān)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

　　5、置初值子程序：由監(jiān)控中心對(duì)時(shí)間、電耗、流量等累計(jì)參數(shù)按用戶的要求設(shè)定初始值。

　　6、故障自檢子程序：檢測(cè)PLC的故障信息、校驗(yàn)信息，并發(fā)往監(jiān)控中心。

　　7、控制子程序：根據(jù)監(jiān)控中心的命令，或現(xiàn)場(chǎng)自控條件輸出相應(yīng)的操作。

　　8、通訊子程序；完成與監(jiān)控中心的各種通信功能。

　　通訊程序中，接收命令和發(fā)送命令采用中斷處理，通過(guò)ATCH指令使中斷事件8在接收不同特征命令下執(zhí)行不同的程序。對(duì)串行通信的超時(shí)限制則通過(guò)設(shè)定內(nèi)部定時(shí)中斷來(lái)控制，其事件號(hào)為10，定時(shí)時(shí)間由SMB34的值確定。為減少通信的誤碼，采用偶校驗(yàn)及異或雙重校驗(yàn)措施。

五、結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)在軟、硬件方面采取了多種措施，特別是現(xiàn)場(chǎng)終端選用了S7-200 PLC，提高了系統(tǒng)的可靠性，在自來(lái)水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)取得了較好的應(yīng)用效果。 PLC基于SCADA系統(tǒng)能充分滿足對(duì)水廠控制系統(tǒng)的要求，對(duì)水廠的安全運(yùn)行、提高供水質(zhì)量、節(jié)能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)將無(wú)線通訊與S7-200 PLC有機(jī)的結(jié)合，解決了現(xiàn)場(chǎng)分布較散、距離較遠(yuǎn)、范圍較大的系統(tǒng)監(jiān)控問(wèn)題，在供水、供電、供氣、油田、氣象、水文水利等部門有較好的應(yīng)用前景。