基于西門子PLC的水庫實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

陳飛良 白龍 王愷 楊書杰 馬駿馳 朱永銀 霍巖

摘 要：本文提出了一種基于PLC工業(yè)網(wǎng)絡的水庫水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、前端采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和后臺處理系統(tǒng)，該方案具有較高的可靠性，便于統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，對相關(guān)工程項目有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；PLC；水質(zhì)在線監(jiān)測

水庫監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求

隨著社會的發(fā)展和人們對生活健康的關(guān)注，加上水資源的日益短缺和惡化，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的運用備受關(guān)注。水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為自來水廠對水體水質(zhì)、水體狀況進行實時監(jiān)測的主要手段。目前國內(nèi)常規(guī)的實驗室取樣檢測技術(shù)已經(jīng)無法在第一時間獲取水污染狀況的準確信息。而且分析速度慢、操作復雜、穩(wěn)定性差。此外，隨著水資源污染的日益加劇，具有較好水質(zhì)的水庫越來越少，不少水庫都遠離自來水廠，采用以往到水庫取樣檢測水質(zhì)的監(jiān)測方法已經(jīng)遠不能滿足水廠工作發(fā)展的需求。因此，發(fā)展遠程水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)克服了常規(guī)水質(zhì)分析儀器的缺點，可以實現(xiàn)隨時獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，常見方法有基于無線傳輸采樣和基于有線傳輸采樣。兩者在采樣的穩(wěn)定性和可靠性上比較，有線傳輸?shù)膬?yōu)勢明顯，在各種惡劣的氣候環(huán)境中都能傳輸水質(zhì)數(shù)據(jù)給水廠。因此，本文將設計一個基于西門子PLC的工業(yè)化網(wǎng)絡系統(tǒng)，將其應用到水庫水質(zhì)在線監(jiān)測，實現(xiàn)實時、連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。

基于西門子PLC系統(tǒng)的水庫實時監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設計

本系統(tǒng)設計考慮到水庫地理位置較遠，對數(shù)據(jù)傳輸可靠性及實時性要求高，不需要頻繁對設備進行維護保養(yǎng)，以降低后期運行成本。系統(tǒng)采用工業(yè)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以西門子PLC作為現(xiàn)場站點用于信息采集，采用有線信息傳輸方式，避免在各類惡劣的自然環(huán)境下不能可靠地將數(shù)據(jù)及時上傳的情況，通過傳感器將水庫水質(zhì)參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為模擬量電信號，再將模擬量信號發(fā)給PLC， PLC將采集的數(shù)據(jù)通過租用電信運營商的光纖實現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，優(yōu)點是不需要鋪設專用光纖，性價比高，并能抵抗一定程度的外部惡劣環(huán)境。該系統(tǒng)綜合使用了傳感器、PLC、組態(tài)技術(shù)及工業(yè)網(wǎng)絡通信。特點是自動化程度高，系統(tǒng)集成度高，可以實現(xiàn)大量智能化站點集成，并兼容市場主流的各家儀表。水庫水質(zhì)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由水質(zhì)參數(shù)采集單元、現(xiàn)場監(jiān)測站PLC單元、通信單元、監(jiān)測中心系統(tǒng)和報警系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場監(jiān)測站PLC單元將采集信息通過通信單元發(fā)送給監(jiān)測中心系統(tǒng)，監(jiān)控中心系統(tǒng)將采集數(shù)值與預警值對比，達到報警值則發(fā)出警示信號。整個系統(tǒng)工作以在線自動監(jiān)控設備為核心，通過及時獲取水樣，數(shù)據(jù)采集傳輸和遠程監(jiān)控等技術(shù)手段達到水質(zhì)自動檢測的最終目的。

子系統(tǒng)設計

前端現(xiàn)場監(jiān)測站PLC單元

每個水庫至少設置一個現(xiàn)場監(jiān)測站，根據(jù)水庫大小安裝若干個水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測傳感器，包括溫度、電導率、溶解氧、pH、濁度等參數(shù)，通過線路連接到PLC輸入端口上。前端的PLC可以采用S7-200、S7-1200等型號，以S7-1200為例，S7-1200配有4路、8路模擬量輸入模塊，可以傳輸電壓或電流信號，范圍是±10 V或 0-20 mA。電壓和電流信號可以通過NORM_X和SCALE_X指令轉(zhuǎn)化成參數(shù)的數(shù)字值，NORM_X 用于標準化參數(shù) MIN 和 MAX 指定的值范圍內(nèi)的參數(shù)VALUE，通過將輸入 VALUE 中變量的值映射到線性標尺對其進行標準化標定。在模擬量的轉(zhuǎn)換中，MIN和MAX表示的是模擬量模塊輸入信號對應的數(shù)字量的范圍，輸出OUT = （VALUE - MIN） / （MAX - MIN），其中，0.0 <= OUT <= 1.0。SCALE_X 用于按參數(shù) MIN 和 MAX 所指定的數(shù)據(jù)類型和值范圍對標準化的實參數(shù) VALUE（其中，0.0 <= VALUE <= 1.0）進行標定，通過將輸入 VALUE 的值映射到指定的值范圍來對其進行縮放。 當執(zhí)行“縮放”指令時，輸入 VALUE 的浮點值會縮放到由參數(shù) MIN 和 MAX 定義的值范圍。輸出OUT = VALUE （MAX - MIN） + MIN。

傳輸系統(tǒng)

水庫離監(jiān)測中心較遠，通常采用光纖傳輸，這里租用電信運營商的光纖傳輸數(shù)據(jù)，不需要鋪設專線，極大地降低了成本，可以實現(xiàn)上百公里的數(shù)據(jù)傳輸，并能抵抗一定程度的惡劣環(huán)境。

監(jiān)測中心系統(tǒng)

監(jiān)測中心控制系統(tǒng)利用工業(yè)組態(tài)及分析軟件可將上傳的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)保存并分析，當水質(zhì)參數(shù)發(fā)生較大變化時或低于國家相關(guān)標準時，能通過報警系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，如：數(shù)據(jù)異常、參數(shù)嚴重不達標等。從而能在第一時間內(nèi)快速準確地掌握水庫的水質(zhì)信息。

結(jié)語

本系統(tǒng)設計采用的工業(yè)網(wǎng)絡，可以滿足水質(zhì)參數(shù)的實時傳輸，與無線網(wǎng)絡傳輸相比較，可靠性更高，更能抵抗惡劣的自然環(huán)境，系統(tǒng)兼容性好，各類廠家的傳感器都可以使用，而且后期維護工作量小，具有一定的實用價值。

（作者單位：江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院）

【參考文獻】

[1] 楊守波，馮志彬.基于PLC的水庫在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].北方工業(yè)大學學報， 2016（01）.

[2] 張雪，鄧中亮.基于PLC的水質(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2009（04）.

[3] 余迎，劉光臨，熊曉明.PLC在水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)取水配水控制中的應用[J].中國農(nóng)村水利水電，2006（05）.