PLC在自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

李驥

摘 要：本文分析了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用路徑，并以某地方自來(lái)水企業(yè)供水調(diào)度系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析PLC監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：自來(lái)水檢測(cè)系統(tǒng)；光電隔離；可編程邏輯控制器

Analysis of PLC Application in Tap Water Monitoring System

LI Ji

（Zunyi Water Supply Co.， Ltd.， Zunyi 563000， China）

Abstract： This paper analyzes the application path of programmable logic controller （PLC） in the tap water monitoring system， and takes the water supply dispatching system of a local water supply enterprise as the research object to analyze the operation effect of the PLC monitoring system.

Keywords： tap water detection system; photoelectric isolation; programmable logic controller

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，其內(nèi)部能夠存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、算術(shù)運(yùn)算等指令，利用數(shù)字式輸入輸出，控制機(jī)械設(shè)備以及生產(chǎn)流程。將其運(yùn)用在自來(lái)水監(jiān)控系統(tǒng)中，不僅可以完成數(shù)據(jù)收集與分析，還能提高系統(tǒng)可擴(kuò)充性，便于后續(xù)優(yōu)化與改進(jìn)，切實(shí)提高系統(tǒng)監(jiān)控質(zhì)量。

1 PLC在自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

（1）PLC在泵房的應(yīng)用，需要為送水泵房PLC編制采樣、報(bào)警、開(kāi)泵與出水閥的聯(lián)動(dòng)控制等子程序。利用結(jié)構(gòu)化編程，保證程序的層次清晰，簡(jiǎn)化程序調(diào)試。其中采樣程序能夠?qū)ⅰ澳M量輸入”存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)塊當(dāng)中，以此簡(jiǎn)化讀取模擬量的輸入過(guò)程，解決以往因“余氯儀”無(wú)法提供數(shù)據(jù)通信，只能提供模擬量輸出的問(wèn)題。報(bào)警程序則可保證測(cè)量值高于標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息。

（2）PLC在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。PLC能夠依照電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源輸入頻率的關(guān)系，利用改變電動(dòng)機(jī)電源頻率的方式，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)由高速轉(zhuǎn)為低速時(shí)，能夠保持有限的轉(zhuǎn)差率，如此供水系統(tǒng)的供水壓力便可結(jié)合用戶的用水需求量實(shí)現(xiàn)相應(yīng)變化，最大程度節(jié)省供水能力損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)PLC也能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓變量，通過(guò)結(jié)合PLC、變頻器、壓力變送器，可以使供水系統(tǒng)具備閉環(huán)控制的功能，依照出廠水壓力的變化情況，利用可編程邏輯控制器調(diào)節(jié)變頻器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，使供水流量滿足實(shí)際需求，保證供水壓力恒定不變。至于恒壓變量的供水方式則主要表現(xiàn)為根據(jù)水廠供水情況，設(shè)置恒定供水管網(wǎng)出水口出水壓力值，之后在供水管網(wǎng)出水口設(shè)置壓力變送器，將設(shè)備獲取的壓力信息與預(yù)設(shè)的初始值進(jìn)行比較，通過(guò)PLC控制器控制水泵頻率以及運(yùn)行臺(tái)數(shù)，以此達(dá)到節(jié)能目的。這樣不僅可以滿足用戶用水壓力需要，也能防止壓力設(shè)置偏高影響水資源的經(jīng)濟(jì)性。至于恒壓變量供水系統(tǒng)的工作流程則表現(xiàn)為PLC可以對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)提高泵的轉(zhuǎn)速，以此提高管網(wǎng)的壓力，若在此過(guò)程中管網(wǎng)壓力仍無(wú)法滿足實(shí)際要求，且泵站在工頻狀況下已經(jīng)開(kāi)始工作，則PLC便可指揮其他泵站運(yùn)行。此時(shí)，若其他泵站也難以滿足壓力需要，則要提高水泵的運(yùn)行數(shù)量，利用PLC調(diào)動(dòng)更多的泵站變頻，以此保證管網(wǎng)壓力與預(yù)設(shè)值一致。

PLC在自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用更多體現(xiàn)在數(shù)值調(diào)控以及信息傳輸上，因此在應(yīng)用PLC時(shí)應(yīng)當(dāng)注重軟件以及硬件的設(shè)計(jì)方法，并保證系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)充性，以便后續(xù)根據(jù)運(yùn)行要求，進(jìn)行系統(tǒng)功能的適當(dāng)調(diào)整與優(yōu)化。

2 PLC在自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用案例

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文選取的研究對(duì)象為某地方自來(lái)水公司的供水調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由企業(yè)的調(diào)度中心以及部分遠(yuǎn)程監(jiān)控站組成，其中調(diào)度中心涵蓋工作站、集線器、打印機(jī)、調(diào)度機(jī)、無(wú)線電臺(tái)以及服務(wù)器，采用TCP/IP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的共享與傳輸。至于監(jiān)測(cè)站則主要涵蓋水廠、測(cè)壓點(diǎn)等。監(jiān)測(cè)站與調(diào)度中心均通過(guò)無(wú)線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信，至于采用的通信方式則以“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”為主。

2.1.2 硬件選型

（1）PLC模塊。其屬于系統(tǒng)下層的重要裝置，以單片機(jī)為主要核心，用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制的設(shè)備器件，不僅具有指令分析轉(zhuǎn)換、I/O接口（計(jì)算機(jī)接口，輸入/輸出）等功能，還具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性以及抗干擾性。實(shí)際調(diào)查顯示，現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)最常用的PLC無(wú)故障時(shí)間可達(dá)3.2×105 h，并且PLC本身的可靠性較高，其I/O至少會(huì)經(jīng)過(guò)一級(jí)光耦，因此能夠在一定程度上抑制電磁干擾。同時(shí)，PLC的編程相對(duì)簡(jiǎn)易，功能極為豐富，能夠有效契合供水調(diào)度系統(tǒng)無(wú)人值守、運(yùn)行環(huán)境差的特點(diǎn)。因此，自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是西門子CPU224可編程邏輯控制器，以及與之配套的計(jì)算機(jī)接口擴(kuò)展模塊，并將其當(dāng)作主控監(jiān)測(cè)裝置。由于PLC本機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要添加模擬量輸入模塊，即12位A/D模塊（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）EM231。EM231本身能夠?qū)崿F(xiàn)單極性信號(hào)的輸入以及雙極性信號(hào)的輸入，其中單極性可輸入0～10 V的電壓信號(hào)以及0～20 mA的電流信號(hào)。至于雙極性則可輸入-5～+5 V的電壓信號(hào)。

（2）通信裝置。由于調(diào)度中心與監(jiān)測(cè)站能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，因此系統(tǒng)最終采用GM950I工數(shù)傳電臺(tái)作為傳輸裝置，該裝置的功率在25 W，頻率為230 MHz。測(cè)試顯示，該型號(hào)的數(shù)傳電臺(tái)不僅傳輸效率極高，且基本不會(huì)出現(xiàn)誤碼，可以確保系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，PLC本機(jī)存在標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口，在通信過(guò)程中，需要將其轉(zhuǎn)換為RS-232接口，并選取PC/PPI（個(gè)人電腦/點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口）電纜，該電纜不僅可以設(shè)定通信速率，也能預(yù)先確定通信設(shè)備模式[1]。

（3）數(shù)據(jù)獲取裝置。為了更好體現(xiàn)自來(lái)水生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并掌握生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)參數(shù)，自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還要設(shè)計(jì)水廠監(jiān)測(cè)站和測(cè)壓電監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)獲取裝置則主要包括：①開(kāi)關(guān)量反映水泵，其作用在于體現(xiàn)水泵開(kāi)關(guān)狀態(tài)，利用交流接觸設(shè)備的觸點(diǎn)，將模擬量送入PLC的開(kāi)關(guān)量輸入端，其中模擬量以水量、壓力、電流信號(hào)為主，此類信號(hào)的獲取精確性將直接影響系統(tǒng)的應(yīng)用效率，因此在選用過(guò)程中要保證產(chǎn)品的高可靠性；②電量變送器、電壓變送器，是指能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器，此類裝置均采用某自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的產(chǎn)品；③壓力變送器，是指一種將壓力轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)信號(hào)或電動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制與遠(yuǎn)傳的裝置，采用某電子企業(yè)的正規(guī)產(chǎn)品。自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用的變送器可實(shí)現(xiàn)4～20 mA的電流信號(hào)輸出，也可以與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端直接相連。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理

（1）開(kāi)關(guān)量信號(hào)的處理。PLC本機(jī)提供的開(kāi)關(guān)量輸入以及開(kāi)關(guān)量輸出都具有相對(duì)固定的I/O地址，也能夠?qū)U(kuò)展模塊與I/O點(diǎn)相連，至于地址則要根據(jù)I/O類型以及所在位置來(lái)決定。自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站共有8路開(kāi)關(guān)量，因此在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需添加更多的擴(kuò)展模塊，至于在開(kāi)關(guān)量信號(hào)獲取的過(guò)程中，則要采用延遲時(shí)間確認(rèn)的方式來(lái)達(dá)到軟件濾波的目的，通常將延遲時(shí)間設(shè)置為6 ms。具體的開(kāi)關(guān)量輸入電路表現(xiàn)為外部數(shù)字輸入→光電隔離→數(shù)字輸入濾波器→脈沖捕捉功能→脈沖捕捉允許→輸入至CPU。

（2）模擬量信號(hào)的處理。對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，需要利用擴(kuò)展模塊進(jìn)行收集。一般情況下，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠在150 μs內(nèi)使模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)的數(shù)字值，同時(shí)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程也要控制在程序訪問(wèn)中完成。因?yàn)榇祟惸K本質(zhì)上屬于高速模塊，所以能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)的變化追蹤，如外部噪聲等。至于變化較為緩慢的模擬量輸入，則要借助軟件濾波的形式，最大程度降低噪聲造成的信號(hào)讀數(shù)誤差[2]。

（3）軟件濾波本質(zhì)上屬于PLC具備的功能，而濾波值則表示模擬量輸入采樣值的平均值，濾波參數(shù)對(duì)全部模擬量輸入均保持一致。在自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，軟件濾波采用數(shù)為64，可以理解為當(dāng)CPU機(jī)械構(gòu)件模擬信號(hào)訪問(wèn)時(shí)，會(huì)在150 μs采樣64次，之后求解平均值。此外，定時(shí)采樣需要根據(jù)用戶編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常來(lái)說(shuō)，程序內(nèi)的采樣間隔應(yīng)控制在2 s左右，至于PLC存儲(chǔ)的每分鐘數(shù)據(jù)，應(yīng)為采樣值的平均值。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免外界環(huán)境信號(hào)的干擾，還要剔除外界小信號(hào)，做好模擬信號(hào)的有效性檢查。

2.1.4 終端信息通信

將PLC用于通信時(shí)，需要預(yù)先將接口轉(zhuǎn)換為RS-232接口，借助通信控制寄存裝置設(shè)置通信波特率1 200 bps、偶校驗(yàn)位，將通信電纜的DIP開(kāi)關(guān)（指撥開(kāi)關(guān)，屬于人工調(diào)整的開(kāi)關(guān)）設(shè)定為10101。至于PLC接收、發(fā)送指令時(shí)均采用16進(jìn)制信息格式，由用戶程序控制通信協(xié)議。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 開(kāi)發(fā)工具

PLC程序的開(kāi)發(fā)采用S7軟件MICRO/WIN32，能夠有效完成數(shù)據(jù)的獲取、分析、處理、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)以及通信。該軟件主要運(yùn)行在Windows（操作系統(tǒng)）平臺(tái)，在編程時(shí)采用的編程語(yǔ)言則以梯形圖、語(yǔ)句表以及功能塊為主。同時(shí)，該編程軟件所包含的編譯工具眾多，能夠輕松實(shí)現(xiàn)程序改寫，并下載至PLC，通過(guò)強(qiáng)大的編輯功能，完成程序存盤、打印，與人機(jī)界面相似，均可以為操作人員提供便利[3]。

2.2.2 工作過(guò)程

供水調(diào)度系統(tǒng)的下層數(shù)據(jù)獲取由PLC完成，數(shù)據(jù)采集周期為2 s/次。PLC存取區(qū)的數(shù)據(jù)以瞬時(shí)數(shù)據(jù)、時(shí)間段數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)為主。其中瞬時(shí)數(shù)據(jù)可以理解為PLC當(dāng)前獲取的數(shù)據(jù)，時(shí)間段數(shù)據(jù)是指在1 min中收集30次瞬時(shí)數(shù)據(jù)的平均值或15 min內(nèi)收集30次瞬時(shí)數(shù)據(jù)的平均值。同時(shí)在PLC工作過(guò)程中要注意，由于PLC存取區(qū)的容量有限，在達(dá)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上限時(shí)，共收集了22 min的1 min數(shù)據(jù)、15 h的15 min數(shù)據(jù)以及10條報(bào)警信息。供水調(diào)度系統(tǒng)中的調(diào)度機(jī)能夠直接訪問(wèn)PLC，而PLC在通信時(shí)始終保持從機(jī)狀態(tài)，因此數(shù)據(jù)的傳送主要表現(xiàn)為詢問(wèn)應(yīng)答，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)便是由調(diào)度中心發(fā)送相應(yīng)命令，而PLC則以中斷方式來(lái)獲取命令，之后以獲取的信息進(jìn)行判斷，確認(rèn)其是否需要緊急處理。同時(shí)，當(dāng)PLC檢測(cè)到命令內(nèi)具有報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，若調(diào)度裝置仍保持報(bào)警狀態(tài)，則PLC會(huì)第一時(shí)間發(fā)送報(bào)警信息[4]。

3 系統(tǒng)改進(jìn)措施

為滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后還要進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，保證其具有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、參數(shù)記錄、數(shù)據(jù)查詢等功能，并遵照整體集中、局部分散的改進(jìn)原則，保證調(diào)度機(jī)即便出現(xiàn)故障，也不會(huì)對(duì)服務(wù)器以及工作站的信息造成影響，確保監(jiān)測(cè)站能夠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)24 h的數(shù)據(jù)保護(hù)。直至調(diào)度裝置恢復(fù)正常后，可自動(dòng)找尋該時(shí)段的歷史信息，利用插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)平滑，以此獲取數(shù)據(jù)平均值，確保數(shù)據(jù)完整。此外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，還可將調(diào)度機(jī)調(diào)整為雙機(jī)熱備。雙機(jī)熱備可以理解為應(yīng)用在服務(wù)器的一種解決方案，通過(guò)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，使主機(jī)保持工作狀態(tài)，從機(jī)保持監(jiān)視狀態(tài)，這樣一旦主機(jī)出現(xiàn)異常，從機(jī)能夠在短時(shí)間內(nèi)代替主機(jī)。

此外，由于各監(jiān)測(cè)站保持相對(duì)獨(dú)立，容易產(chǎn)生調(diào)度裝置獲取數(shù)據(jù)時(shí)其他監(jiān)測(cè)站發(fā)送報(bào)警信息的情況，最終造成通信失敗。為此，需要在程序內(nèi)設(shè)置屏蔽軟件，保證調(diào)度裝置在獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，屏蔽軟件能夠?qū)LC調(diào)整為非報(bào)警狀態(tài)，直至數(shù)據(jù)獲取結(jié)束后，再由PLC發(fā)送相關(guān)報(bào)警信息，從而達(dá)到避免報(bào)警信息丟失，但未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警的目的[5]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)PLC在自來(lái)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用開(kāi)展深入分析，并以某地方自來(lái)水企業(yè)的供水調(diào)度系統(tǒng)作為研究對(duì)象，闡述了硬件設(shè)計(jì)路徑以及軟件設(shè)計(jì)路徑，并提出系統(tǒng)的優(yōu)化措施，以此充分發(fā)揮PLC的功能優(yōu)勢(shì)。在保證數(shù)據(jù)高效獲取與處理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾性，能夠?qū)崿F(xiàn)60 km的遠(yuǎn)程通信。

參考文獻(xiàn)

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