PLC在自來水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用分析

李 驥

（遵義市供水有限責任公司，貴州遵義 563000）

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是在工業(yè)環(huán)境下應用的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，其內(nèi)部能夠存儲執(zhí)行邏輯運算、定時、算術運算等指令，利用數(shù)字式輸入輸出，控制機械設備以及生產(chǎn)流程。將其運用在自來水監(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)可擴充性，便于后續(xù)優(yōu)化與改進，切實提高系統(tǒng)監(jiān)控質(zhì)量。

1 PLC在自來水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用探究

（1）PLC在泵房的應用，需要為送水泵房PLC編制采樣、報警、開泵與出水閥的聯(lián)動控制等子程序。利用結(jié)構(gòu)化編程，保證程序的層次清晰，簡化程序調(diào)試。其中采樣程序能夠?qū)ⅰ澳M量輸入”存儲至數(shù)據(jù)塊當中，以此簡化讀取模擬量的輸入過程，解決以往因“余氯儀”無法提供數(shù)據(jù)通信，只能提供模擬量輸出的問題。報警程序則可保證測量值高于標準范圍時，發(fā)出報警信息。

（2）PLC在供水系統(tǒng)中的應用。PLC能夠依照電機轉(zhuǎn)速與電源輸入頻率的關系，利用改變電動機電源頻率的方式，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。當電機由高速轉(zhuǎn)為低速時，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現(xiàn)相應變化，最大程度節(jié)省供水能力損耗，達到節(jié)能的目的。同時PLC也能進一步實現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓變量，通過結(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，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，使供水流量滿足實際需求，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)出水口設置壓力變送器，將設備獲取的壓力信息與預設的初始值進行比較，通過PLC控制器控制水泵頻率以及運行臺數(shù)，以此達到節(jié)能目的。這樣不僅可以滿足用戶用水壓力需要，也能防止壓力設置偏高影響水資源的經(jīng)濟性。至于恒壓變量供水系統(tǒng)的工作流程則表現(xiàn)為PLC可以對變頻器實現(xiàn)調(diào)節(jié)，根據(jù)實際需要適當提高泵的轉(zhuǎn)速，以此提高管網(wǎng)的壓力，若在此過程中管網(wǎng)壓力仍無法滿足實際要求，且泵站在工頻狀況下已經(jīng)開始工作，則PLC便可指揮其他泵站運行。此時，若其他泵站也難以滿足壓力需要，則要提高水泵的運行數(shù)量，利用PLC調(diào)動更多的泵站變頻，以此保證管網(wǎng)壓力與預設值一致。

PLC在自來水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用更多體現(xiàn)在數(shù)值調(diào)控以及信息傳輸上，因此在應用PLC時應當注重軟件以及硬件的設計方法，并保證系統(tǒng)具有一定的可擴充性，以便后續(xù)根據(jù)運行要求，進行系統(tǒng)功能的適當調(diào)整與優(yōu)化。

2 PLC在自來水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用案例

2.1 硬件設計

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文選取的研究對象為某地方自來水公司的供水調(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、調(diào)度機、無線電臺以及服務器，采用TCP/IP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息的共享與傳輸。至于監(jiān)測站則主要涵蓋水廠、測壓點等。監(jiān)測站與調(diào)度中心均通過無線電臺實現(xiàn)通信，至于采用的通信方式則以“點對點”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，以單片機為主要核心，用于工業(yè)過程自動化控制的設備器件，不僅具有指令分析轉(zhuǎn)換、I/O接口（計算機接口，輸入/輸出）等功能，還具有極強的穩(wěn)定性以及抗干擾性。實際調(diào)查顯示，現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)最常用的PLC無故障時間可達3.2×105h，并且PLC本身的可靠性較高，其I/O至少會經(jīng)過一級光耦，因此能夠在一定程度上抑制電磁干擾。同時，PLC的編程相對簡易，功能極為豐富，能夠有效契合供水調(diào)度系統(tǒng)無人值守、運行環(huán)境差的特點。因此，自來水監(jiān)測系統(tǒng)采用的是西門子CPU224可編程邏輯控制器，以及與之配套的計算機接口擴展模塊，并將其當作主控監(jiān)測裝置。由于PLC本機無法實現(xiàn)模擬量的輸入，因此在設計過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)單極性信號的輸入以及雙極性信號的輸入，其中單極性可輸入0～10 V的電壓信號以及0～20 mA的電流信號。至于雙極性則可輸入-5～+5 V的電壓信號。

（2）通信裝置。由于調(diào)度中心與監(jiān)測站能夠通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)通信，因此系統(tǒng)最終采用GM950I工數(shù)傳電臺作為傳輸裝置，該裝置的功率在25 W，頻率為230 MHz。測試顯示，該型號的數(shù)傳電臺不僅傳輸效率極高，且基本不會出現(xiàn)誤碼，可以確保系統(tǒng)準確獲取相應數(shù)據(jù)信息。同時，PLC本機存在標準RS-485接口，在通信過程中，需要將其轉(zhuǎn)換為RS-232接口，并選取PC/PPI（個人電腦/點對點接口）電纜，該電纜不僅可以設定通信速率，也能預先確定通信設備模式[1]。

（3）數(shù)據(jù)獲取裝置。為了更好體現(xiàn)自來水生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并掌握生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)參數(shù)，自來水監(jiān)測系統(tǒng)還要設計水廠監(jiān)測站和測壓電監(jiān)測站。監(jiān)測站的數(shù)據(jù)獲取裝置則主要包括：①開關量反映水泵，其作用在于體現(xiàn)水泵開關狀態(tài)，利用交流接觸設備的觸點，將模擬量送入PLC的開關量輸入端，其中模擬量以水量、壓力、電流信號為主，此類信號的獲取精確性將直接影響系統(tǒng)的應用效率，因此在選用過程中要保證產(chǎn)品的高可靠性；②電量變送器、電壓變送器，是指能輸出標準信號的傳感器，此類裝置均采用某自動化研究所生產(chǎn)的產(chǎn)品；③壓力變送器，是指一種將壓力轉(zhuǎn)換為氣動信號或電動信號實現(xiàn)控制與遠傳的裝置，采用某電子企業(yè)的正規(guī)產(chǎn)品。自來水監(jiān)測系統(tǒng)選用的變送器可實現(xiàn)4～20 mA的電流信號輸出，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）開關量信號的處理。PLC本機提供的開關量輸入以及開關量輸出都具有相對固定的I/O地址，也能夠?qū)U展模塊與I/O點相連，至于地址則要根據(jù)I/O類型以及所在位置來決定。自來水監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測站共有8路開關量，因此在設計時無需添加更多的擴展模塊，至于在開關量信號獲取的過程中，則要采用延遲時間確認的方式來達到軟件濾波的目的，通常將延遲時間設置為6 ms。具體的開關量輸入電路表現(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）模擬量信號的處理。對于模擬信號來說，需要利用擴展模塊進行收集。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之對應的數(shù)字值，同時模擬信號的轉(zhuǎn)換過程也要控制在程序訪問中完成。因為此類模塊本質(zhì)上屬于高速模塊，所以能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號的變化追蹤，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)對全部模擬量輸入均保持一致。在自來水監(jiān)測系統(tǒng)中，軟件濾波采用數(shù)為64，可以理解為當CPU機械構(gòu)件模擬信號訪問時，會在150 μs采樣64次，之后求解平均值。此外，定時采樣需要根據(jù)用戶編程來實現(xiàn)，通常來說，程序內(nèi)的采樣間隔應控制在2 s左右，至于PLC存儲的每分鐘數(shù)據(jù)，應為采樣值的平均值。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，避免外界環(huán)境信號的干擾，還要剔除外界小信號，做好模擬信號的有效性檢查。

2.1.4 終端信息通信

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

2.2 軟件設計

2.2.1 開發(fā)工具

PLC程序的開發(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、計算、統(tǒng)計以及通信。該軟件主要運行在Window（s操作系統(tǒng)）平臺，在編程時采用的編程語言則以梯形圖、語句表以及功能塊為主。同時，該編程軟件所包含的編譯工具眾多，能夠輕松實現(xiàn)程序改寫，并下載至PLC，通過強大的編輯功能，完成程序存盤、打印，與人機界面相似，均可以為操作人員提供便利[3]。

2.2.2 工作過程

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)以瞬時數(shù)據(jù)、時間段數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)為主。其中瞬時數(shù)據(jù)可以理解為PLC當前獲取的數(shù)據(jù)，時間段數(shù)據(jù)是指在1 min中收集30次瞬時數(shù)據(jù)的平均值或15 min內(nèi)收集30次瞬時數(shù)據(jù)的平均值。同時在PLC工作過程中要注意，由于PLC存取區(qū)的容量有限，在達到數(shù)據(jù)存儲上限時，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條報警信息。供水調(diào)度系統(tǒng)中的調(diào)度機能夠直接訪問PLC，而PLC在通信時始終保持從機狀態(tài)，因此數(shù)據(jù)的傳送主要表現(xiàn)為詢問應答，簡單來說便是由調(diào)度中心發(fā)送相應命令，而PLC則以中斷方式來獲取命令，之后以獲取的信息進行判斷，確認其是否需要緊急處理。同時，當PLC檢測到命令內(nèi)具有報警數(shù)據(jù)時，若調(diào)度裝置仍保持報警狀態(tài)，則PLC會第一時間發(fā)送報警信息[4]。

3 系統(tǒng)改進措施

為滿足系統(tǒng)應用需要，提高系統(tǒng)的運行效率，在完成系統(tǒng)設計后還要進行針對性的優(yōu)化，保證其具有數(shù)據(jù)監(jiān)測、自動報警、參數(shù)記錄、數(shù)據(jù)查詢等功能，并遵照整體集中、局部分散的改進原則，保證調(diào)度機即便出現(xiàn)故障，也不會對服務器以及工作站的信息造成影響，確保監(jiān)測站能夠穩(wěn)定運行，實現(xiàn)24 h的數(shù)據(jù)保護。直至調(diào)度裝置恢復正常后，可自動找尋該時段的歷史信息，利用插值法進行數(shù)據(jù)的自動平滑，以此獲取數(shù)據(jù)平均值，確保數(shù)據(jù)完整。此外，為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，還可將調(diào)度機調(diào)整為雙機熱備。雙機熱備可以理解為應用在服務器的一種解決方案，通過實現(xiàn)主機與從機的網(wǎng)絡連接，使主機保持工作狀態(tài)，從機保持監(jiān)視狀態(tài)，這樣一旦主機出現(xiàn)異常，從機能夠在短時間內(nèi)代替主機。

此外，由于各監(jiān)測站保持相對獨立，容易產(chǎn)生調(diào)度裝置獲取數(shù)據(jù)時其他監(jiān)測站發(fā)送報警信息的情況，最終造成通信失敗。為此，需要在程序內(nèi)設置屏蔽軟件，保證調(diào)度裝置在獲取數(shù)據(jù)的過程中，屏蔽軟件能夠?qū)LC調(diào)整為非報警狀態(tài)，直至數(shù)據(jù)獲取結(jié)束后，再由PLC發(fā)送相關報警信息，從而達到避免報警信息丟失，但未實現(xiàn)實時報警的目的[5]。

4 結(jié)論

通過對PLC在自來水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用開展深入分析，并以某地方自來水企業(yè)的供水調(diào)度系統(tǒng)作為研究對象，闡述了硬件設計路徑以及軟件設計路徑，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。在保證數(shù)據(jù)高效獲取與處理的同時，實現(xiàn)現(xiàn)場設備的全過程動態(tài)監(jiān)控，保證系統(tǒng)具有極強的抗干擾性，能夠?qū)崿F(xiàn)60 km的遠程通信。