基于MPI網絡在水廠自動監控系統中的應用

周宇侯

【摘要】文章重點介紹了西門子PLC、上位機和變頻器組成的水廠監控系統，通過MPI網絡對系統的實時數據采集和監控，實現蓄水池供水以及自來水的消毒等功能，經過一段時間的運行，結果表明該系統運行良好，達到了預期的效果。

【關鍵詞】西門子PLC;上位機;變頻器;深井泵

一、系統概述

某水廠由水源地和廠區兩部分構成，水源地有三臺深井泵，負責對廠區的蓄水池供水;廠區對水池的水進行消毒處理，之后用加壓泵進行恒壓供水。整個系統采用西門子PLC和上位機組成的實時數據采集和監控系統。

西門子S7系列PLC的MPI網絡速度可達187.5Mbit/s;一級中繼傳輸的距離可達1公里。綜合考慮水廠的實際情況和成本要求，確定MPI的組網方式，主站PLC選型為S7-300系列的CPU312IFM，從站PLC選型為S7-200系列的CPU222，保證了系統很高的性價比。系統采用RS-485接口，網絡延伸選用防雷保護的中繼器，保證系統安全。MPI網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 監控系統MPI網絡拓撲結構

二、控制系統硬件設計

監控系統由位于水廠區的上位機、主站PLC、變頻器站和水源區三個從站PLC組成。上位機負責整個系統的現場數據監測、數據處理及計算等工作，通過CP5611網卡與主站PLC完成。主站PLC完成兩項工作，一是水廠區現場數據的采集及變頻恒壓供水控制，二是與水源地的三從站進行遠距離通信和控制，完成水源地現場數據的采集和深水泵控制。

根據現場情況，數據回路有7路模擬量，可以選擇模擬量輸入輸出模塊SM334，該模塊包括4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。同時另選用2片CD4066模擬開關進行擴展，構成8路模擬量輸入。主站PLC的組成如圖2所示。

圖2 主站PLC控制電路

圖中，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程序較易實現。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。

項目中的變頻器選用西門子公司MM系列產品MM420，該變頻器有專用接口模塊，容易與主站組網。監控系統中，水泵P1和P2共有5種工作狀態，各狀態間的轉換條件如圖3所示。5種工作狀態對應PLC的輸入輸出狀態如表2所示，編程時，欠壓加泵和超壓減泵用定時器控制，具體定時時間根據實際情況確定。

3個從站PLC都采用S7-200PLC，控制電路相同，分別控制3個深水泵的運行及現場數據采集，如圖4所示。圖中Q0.0控制深井泵的運行及現場數據采集，I0.0為深井泵過載信號輸入端，Q0.1為故障報警輸出端，深井泵的水管壓力、深井泵電壓和電流3路模擬信號的現場采集通過4路模擬量輸入模塊EM231實現。

表2 5種工作狀態與PLC I/O狀態的對應關系

狀態 Q124.0 Q124.1 Q124.2 Q124.3 功能說明

S1 1 0 0 0 P1變頻P2停機

S2 0 1 1 0 P1工頻P2變頻

S3 0 0 1 0 P1停機P2變頻

S4 1 0 0 1 P1變頻P2工頻

S0 0 0 0 0 系統停機

圖3 泵工作狀態的轉換

圖4 PLC從站的控制電路

三、系統通信原理及PLC程序編制

本系統按主從方式控制和管理全網，由主站隨機提出通信任務，采用非周期發送請求方式傳輸數據。

通信任務是預先在主站中輸入一張輪詢表，該表定義了此主站應輪流詢問的從站，按MPI網絡的通信規則，各點的地址分別為：上位機PC為0;主站PLC為2;從站1的PLC為4;從站2的PLC為6;從站3的PLC為8。主站通過系統功能函數SFC67和SFC68分別對3個從站進行讀和寫操作。根據監控系統的控制工藝要求，主站S7-300PLC和從站S7-200PLC的程序流程如圖5所示。

圖5 控制系統PLC程序流程

設計監控系統時，為實時觀察供水泵和深井泵的運行情況，及時發現并處理系統故障，在上位機上安裝了組態軟件，MPI網絡畫面如圖1所示，每臺供水泵和深水泵的局部動態畫面以及報警畫面。工藝控制曲線包括供水管實時壓力曲線，歷史曲線，通過系統變量標簽、圖形編輯器和報表編輯器等組態工具可設定變頻器的上、下限頻率，供水管的各種壓力參數，也可隨時調用各歷史曲線，達到實時控制的目的。用多點網絡控制技術設計的自來水廠分布式監控系統，經多年的實際運行證明，系統性能穩定，運行可靠，報警及時，且供水壓力恒定，這項技術對于中、小規模監控場合，具有較好的推廣價值。

參考文獻

[1]王曉華.高精度溫箱溫度控制系統設計[D].西安工業大學碩士論文，2013（4）.

[2]王兆明.電氣控制與PLC技術[M].北京：清華大學出版社，2010（4）.

[3]何希才.常用傳感器應用電路的設計與實踐[M].科學出版社，2007（9）.

[4]廖常初.FX系列PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2005（4）.